Міністерство освіти і науки України

Національний університет “Львівська політехніка”

голубінка юрій ігорович

УДК 528.2:629.78:551.24

Диференціація кінематики та регіональних деформацій Антарктичної тектонічної плити за результатами супутникових вимірів

05.24.01 – геодезія, фотограмметрія та картографія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник : | доктор технічних наук, проф.

Третяк Корнилій Романович,

Національний університет “Львівська політехніка”, директор Інституту геодезії

Офіційні опоненти : |

Максимчук В.Ю., д.ф.-м.н., проф., директор Карпатського відділення Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України;

Глотов В.М., д.т.н., декан Інституту геодезії Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України;

Провідна установа

Захист дисертації відбудеться “14” березня 2008 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.13 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м.Львів, вул. Степана Бандери 12, ауд. 518 II навч. корп.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м.Львів,

вул. Професорська 1.

Автореферат розісланий “08” лютого 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради,

кандидат технічних наук, доцент Б.Б. Паляниця

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одними з провісників сейсмічної активності є рухи та деформації земної кори, які часто пов'язані з переміщеннями літосферних плит. Глобальний, регіональний та локальний геодезичні моніторинги сучасної кінематики земної кори належать до безпосередніх і надійних методів дослідження та прогнозування тектонічної активності територій.

Як відомо, за результатами геодезичного моніторингу визначаються зміни координат геодезичних пунктів, які свідчать про кінематику земної кори. Однак дотепер не існує достатньо ефективної методики опрацювання просторових геодинамічних мереж, яка б дозволила досліджувати деформації, що є невід’ємною складовою цього процесу. Максимальної ефективності геодезичного моніторингу геодинамічних процесів можна досягнути лише за використання теоретично обґрунтованої з кінематичних позицій методики опрацювання вимірів у просторових геодезичних мережах.

Зокрема застосування такої методики опрацювання вимірів у просторових геодезичних мережах і дослідження зміни кінематичних та деформаційних параметрів є особливо актуальне для Антарктичного континенту, який відіграє ключову роль у формуванні сучасної геодинаміки та клімату на всій планеті. Антарктика є своєрідним геодинамічним полігоном, вивчення якого дозволяє розкрити дію механізмів глобальних геодинамічних процесів.

Необхідно зазначити, що саме для розв'язку проблем у дослідженні кінематики літосферних плит внесли вагомий внесок такі вчені, як Л.П.Зоненшайн, А.В.Пейве, А.С.Монін, О.Г.Сорохтін, В.Ю.Хаїн, А. Кокс, Р. Харт, D.F. Argus, C. DeMets. Дослідженням сучасних геодинамічних процесів Антарктичної літосферної плити займалися такі українські вчені, як К. Третяк, В. Максимчук, В. Глотов, В. Бахмутов, а також зарубіжні: A. Capra, I. Dalziel, R. Dietrich, J. Manning, M. Willis, T. Wilson.

Однак наявна інформація про сучасну геодинаміку тектонічних плит і особливо Антарктичної тектонічної плити не є достатня. У першу чергу це пов’язано із складними кліматичними умовами та важкодоступними умовами полярних регіонів.

Дисертаційну роботу присвячено розв'язку актуальної проблеми дослідження кінематики Антарктичної літосферної плити з використанням теоретично обгрунтованої з кінематичних позицій методики опрацювання просторових GPS-мереж. Виконані в роботі дослідження суттєво доповнюють існуючу інформацію про кінематику Антарктичної плити та її регіональні особливості.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи пов’язана з Державною програмою досліджень в Антарктиці на 2002-2010 р. та напрямком наукових досліджень міжнародної групи ANETC (Antarctic Neotectonics). За участю автора в рамках міжнародного полярного року виконується проект IPY EOI #383 "Geodynamic GPS Network for Argentinean Islands (Antarctic Peninsula)". Науково-дослідні роботи автора збігаються з науковим напрямком кафедри вищої геодезії та астрономії „Дослідження фігури та гравітаційного поля Землі та їх змін у часі на основі опрацювання астрономо-геодезичних, супутникових і

2

гравіметричних вимірів” та науковою тематикою робіт галузевої науково-дослідної лабораторії ГНДЛ-18 „Геодезичний моніторинг та рефрактометрія” Інституту геодезії Національного університету „Львівська політехніка”.

Мета і задачі досліджень. До сьогодні немає чіткого уявлення про конкретний та визначальний вплив тих чи інших факторів на кінематику літосферних плит (конвекційні мантійні течії, обертовий рух Землі, планетарні сили). Зрозуміло, що дія сил, які спричиняють переміщення плит, відображається на напрямку та величині їх руху. Моніторинг цих рухів проводиться за допомогою тривалих геодезичних вимірів на перманентних супутникових станціях, що дозволяє безперервно визначати їх місцеположення і фіксувати його зміни у часі з субміліметровою точністю у геоцентричній системі координат. Ці зміщення є проявом сумарної дії сил на тектонічну плиту, які умовно можна розділити на дві групи. До першої групи віднесемо сили, що викликають рівномірне зміщення усієї тектонічної плити. Цю групу умовно назвемо “зовнішніми силами”, які можуть бути результатом сумарного прояву різних чинників, зокрема переміщення мантійних мас, обертання Землі, сил Коріоліса та інших факторів. До другої групи віднесемо сили, сукупна дія яких призводить до деформації тектонічної плити. Відповідно ці деформації проявляються у просторово неоднорідних зміщеннях перманентних GPS-станцій. Цю групу сил також умовно назвемо “внутрішніми силами”, вони є проявом сумарної дії різних чинників, зокрема це також можуть бути ті чинники, що обумовлюють групу “внутрішніх сил”.

Основною метою роботи є розробка теоретичних засад та методики розкладу абсолютних векторів зміщень тектонічних плит, визначених за результатами вимірів перманентних GPS-станцій на складові вектори, спричинені дією внутрішніх та зовнішніх сил, і відповідно розклад двох груп векторів на складові викликані загальним зміщенням плити, її ротацією та деформацією, а також практична диференціація цих параметрів на прикладі Антарктичної тектонічної плити. Для досягнення цієї мети в роботі розв’язуються такі задачі:

- теоретичне обґрунтування та розробка методики розкладу абсолютних векторів зміщень тектонічних плит, визначених за результатами вимірів перманентних GPS-станцій на складові векторів, спричинених дією внутрішніх та зовнішніх сил;

- розробка методики визначення полюса та швидкості обертання тектонічної плити за результатами лінійних швидкостей зміщень перманентних GPS-станцій;

- розробка методики визначення складових векторів швидкостей зміщень перманентних GPS-станцій, викликаних загальним рухом тектонічної плити, її деформацією та ротацією під дією внутрішніх та зовнішніх сил.

Об’єктом дослідження є диференціація кінематичних параметрів тектонічних плит на складові, обумовлені дією внутрішніх та зовнішніх сил.

Предметом досліджень є кінематичні параметри Антарктичної літосферної плити.

Методи досліджень. Під час проведення досліджень використано методи матема-тичного аналізу векторної алгебри, математичні методи опрацювання кінематичних геодезичних мереж, метод визначення компонент відносних деформацій земної кори.

3

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в роботі вперше розроблено теоретичні основи методики диференціації векторів швидкостей зміщень тектонічних плит на складові, викликані дією внутрішніх та зовнішніх сил і загальним рухом тектонічної плити, її деформацією та ротацією. Визначення складових цих векторів проведено на основі довготривалих результатів GPS-вимірів для Антарктичної тектонічної плити. У роботі вперше:

1. Розроблено теоретичні основи та методику опрацювання кінематичних просторо-вих геодезичних мереж, яка має значні переваги перед існуючими методиками:

- по-перше, це відсутність необхідності вибору апріорної кінематичної моделі мережі, яка може суттєво відрізнятися від реальної;

- по-друге, при опрацюванні результатів вимірів у просторовій кінематичній мережі, пункти якої безперервно змінюють своє положення в часі, відкинуто математичні прийоми, які призводять до опрацювання вимірів у вільній мережі;

- по-третє, це відсутність впровадження будь-яких параметрів стійкості пунктів, які призводять до збереження елементів статики при опрацюванні кінематичних мереж.

2. На основі теоретичних досліджень в рамках лінійних моделей кінематики тектонічних плит встановлено математичні вирази визначення зміщень перманентних GPS-станцій, спричинених проявом внутрішніх сил.

3. На основі диференціювання рівнянь залежності координат полюса Ейлера і куто-вої швидкості обертання тектонічної плити від швидкості зміни координат перма-нентних GPS-станцій розроблено методику визначення ротаційних параметрів плити. Існуючі методи визначення ротаційних параметрів руху тектонічної плити використо-вують абсолютні зміщення перманентних GPS-станцій, а розроблена мето-дика визначає ці параметри за зміщеннями станцій, які викликані дією внутрішніх та зов-нішніх сил, що дозволяє глибше дослідити механізм кінематики тектонічних плит.

Практичне значення одержаних результатів. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень:

- встановлено, шо розроблена методика розрахунку швидкостей зміщень перманентних GPS-станцій, спричинених дією внутрішніх та зовнішніх сил, дозволяє досліджувати механізми кінематики тектонічних плит та деформацій земної кори;

- за створеною методикою розрахунку швидкостей зміщень перманентних GPS-станцій, викликаних дією внутрішніх та зовнішніх сил, визначено кінематичну модель Антарктичної тектонічної плити;

- в результаті опрацювання повторних циклів GPS – вимірів на пунктах геодинамічного полігону в районі Антарктичної станції “Академік Вернадський” розроблено геологічну модель тектонічного розлому протоки Пенола.

Особистий внесок здобувача.

Основні положення та результати дисертаційної роботи, отримані автором, опубліковані у співавторстві у працях [1 – 13]. В опублікованих працях [1, 7] автору належить розрахунок

4

відносних компонент деформацій, в працях [4, 12] – визначення векторів швидкостей зміщень пунктів геодинамічного полігону архіпелагу “Аргентинські острови”, у роботах [2, 3, 5, 8, 9, 11, 13] – експериментальні дослідження та розробка методик обчислення швидкостей зміщень тектонічних плит, спричинених впливом внутрішніх та зовнішніх сил, а також їх складових. У роботах [10, 6] – розробка методики обчислення координат полюса обертання тектонічної плити та її кутової швидкості за лінійними зміщеннями перманентних GPS-станцій.

Апробація результатів роботи. Основні теоретичні та експериментальні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на:

1. Міжнародних науково-технічних симпозіумах „Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища GPS та GIS-технології”, Алушта, 2004, 2005, 2006 рр.

2. Науково-практичних конференціях „Геофорум”, Яворів, 2005, 2006, 2007 рр.

3. Другій Українській антарктичній конференції „Антарктичний півострів – ключовий регіон для досліджень змін у навколишньому середовищі”, Київ, 2004 р.

4. Третій міжнародній конференції “Наукові дослідження в Антарктиці”, Київ, 2006 р.

Публікації. Результати досліджень за темою дисертації містяться в 13 публікаціях, які наведені у списку використаних джерел. Серед них 6 статей опубліковані у фахових виданнях, 1 стаття у науковому журналі, 4 у збірниках матеріалів конференцій та 2 у збірниках тез конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, трьох розділів, списку використаних джерел (159 найменувань). Загальний обсяг дисертації 134 сторінки, ілюстрації складають 31 рисунок та 11 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі розкрито актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та її основні завдання, наведено основні наукові результати роботи та їхнє практичне значення, сформульовано основні положення, що виносяться на захист, викладено відомості про апробацію роботи, повноту публікації результатів та їх впровадження.

У першому розділі “Основні положення теорії тектоніки літосферних плит” проаналізовано сучасну теорію тектоніки літосферних плит та методи, на яких вона базується, виділено їх переваги та недоліки.

В основі теорії тектоніки літосферних плит основними причинами формування сучасного положення материків і океанів є просторові переміщення тектонічних блоків, розділених глибинними розломами земної кори. Теорія тектоніки літосферних плит визнає домінуючу дію на переміщення тектонічних блоків сил, які виникають в резуль-таті конвекційних явищ у мантії. Однак ця теорія, висвітлена у працях А. Кокса, Р. Харта, В. Е.Хаіна, достатньою мірою не враховує вплив планетарних сил (викликаних власним обертанням Землі, силами Коріоліса, і.т.д.) на рух плит. На нашу думку, оцінювати ступінь впливу на кінематику та деформації тектонічних блоків різних чинників можна тільки на підставі аналізу результатів досліджень, виконаних різними методами.

5

З метою аналізу методів вивчення кінематики тектонічних плит розділимо їх на три групи: геофізичні, геолого-геоморфологічні та геодезичні. Дві перші групи методів доцільно застосовувати для дослідження переміщень літосферних плит, що відбувалися протягом тривалого часу (десятки, сотні мільйонів років), оскільки ці методи використовують як вихідні дані інформацію, яка нагромаджувалась за співвимірні періоди часу. У цьому, власне, і полягає недолік застосування геолого-геофізичних методів для дослідження сучасної кінематики тектонічних плит. Розв’язання цієї проблеми можливе на основі опрацювання тривалих рядів геодезичних вимірів супутникових станцій. Визначальною перевагою сучасних геодезичних супутникових методів є їх оперативність, безперервність та висока точність визначення координат станцій та їх змін у часі, що дозволяє достовірно оцінювати сучасні кінематичні параметри тектонічних плит. Ця перевага досягається завдяки комплексному застосуванню методів космічної геодезії (GPS, SLR, VLBI, DORIS). Однак найефективнішим для вивчення геодинаміки літосферних плит серед методів космічної геодезії є метод GPS. Це обумовлено у першу чергу економічними чинниками, низькими енерговитратами апаратури, її компактністю та відносно малою собівартістю. Однак максимальної ефективності при вивченні сучасної геодинаміки тектонічних плит можна досягти за допомогою комплексного використання технологій космічної геодезії, що дозволяє контролювати якість результатів незалежними методами вимірювань.

У другому розділі “Кінематика Антарктичної тектонічної плити за даними gps-спостережень” теоретично обгрунтовано та розроблено математичний апарат методики розкладу абсолютних векторів зміщень тектонічних плит, визначених за результатами тривалих вимірів перманентних GPS-станцій на складові, спричинені дією внутрішніх та зовнішніх сил, загальним зміщенням плити, її ротацією та деформацією. Для цього розроблено методику визначення полюса та швидкості обертання тектонічних плит за даними вимірів перманентних GPS-станцій.

Міжнародна геодинамічна служба IGS на основі опрацювання тривалих рядів супутникових вимірів GPS-станцій визначає їх зміщення в геоцентричній системі координат ITRF. Оскільки ці зміщення є проявом сумарної дії двох встановлених нами груп сил і умовно названих внутрішніми і зовнішніми, то виникає задача за результатами цих вимірів розкладу абсолютного вектора швидкості на дві складові, обумовлені дією цих сил. Таким чином вектор швидкості зміщення перманентної GPS - станції можна записати у вигляді:

(1)

д , - відповідно вектори швидкості, викликані впливом внутрішніх та зовнішніх сил.

Окрім цього згідно з принципом Коші-Гельмгольмца зсув деформованого тіла можна повністю описати паралельним переносом, обертанням і чистою деформацією. Відповідно вектори швидкостей зміщень можна розкласти на три складові. Вектори швидкостей зміщень і можна записати у вигляді:

(2)

(3)

д - вектори швидкостей загального зміщення тектонічної плити, викликані

6

відповідно внутрішніми та зовнішніми силами, - вектори швидкостей зміщення, викликані ротацією тектонічної плити під дією внутрішніх та зовнішніх сил, - вектор швидкості зміщення, викликаний деформацією тектонічної плити під дією внутрішніх сил, - остаточний “шум” вектора .

Для розкладу на складові вектора швидкості перманентної GPS-станції за рівнянням (1) нами розроблена методика, що ґрунтується на засадах принципів опрацювання просторових кінематичних мереж, а саме на аналізі зміни положення точки середніх координат (ТСК) мережі між циклами вимірів. Зміна ТСК може бути викликана неоднаковим зміщенням усіх перманентних станцій під дією внутрішніх сил. Зміна положення ТСК, спричинена дією внутрішніх сил, може бути визначена за результатами диференційних вимірів (виміряних приростів координат між перманентними станціями). Необхідно зауважити, що положення усіх перманентних станцій безперервно змінюється у часі. Відповідно опрацювання диференційних вимірів у кінематичній мережі вимагає прив’язки мережі перманентних станцій до нерухомої системи координат на епоху першого циклу спостережень. Тільки на цю епоху мережа перманентних станцій є статичною. Далі відлік просторових змін положення перманентної станції здійснюється відносно першого циклу спостережень. Зрівноважені прирости координат між перманентними станціями визначаємо за результатами урівноваження кожного циклу спостережень параметричним методом. Урівноважені координати перманентних станцій попереднього циклу вимірів приймаються як наближені координати для урівноваження наступного циклу вимірів. Тепер основною проблемою є розподіл у наближенні координати перманентних станцій, одержаних з урівноваження поправок для виміряних різниць координат між перманентними станціями. Для розв’язку цієї задачі визначаємо з урівноваження прирости координат між станціями або їх зміну між циклами спостережень , , де та - номери перманентних станцій, на які опирається даний вектор. Однак

(4)

де , , та , , зміни координат перманентних станцій та між циклами спостережень. Задача визначення величин , , , , , за значеннями , , не має однозначного розв’язку.

Оскільки опрацювання кінематичних мереж виконують за результатами значної кількості повторних циклів вимірів, то на параметри , , в рівняннях (4) накладемо такі умови:

(5)

де , , , , - коефіцієнти, що характеризують кінематику перманентних станцій по відповідних осях координат, назвемо їх нормованими кінематичними коефіцієнтами. Для їх визначення введемо поняття , , - середніх квадратичних відхилень приростів координат між перманентними станціями r та u за весь період спостережень. Подамо формулу для параметра :

7

(6)

де - виміряні прирости координати між перманентними станціями та , – порядковий номер останнього циклу спостережень, а – порядковий номер поточного циклу спостережень. Параметри , обчислюються за аналогічними виразами.

На підставі багаторічних досліджень, виконаних службою IGS, встановлено, що сучасні зміщення тектонічних плит протягом останніх 10 років мають практично лінійний характер і представляються лінійними рівняннями. Відповідно за результатами класичного урівноваження зміну значення однієї із координат двох перманентних станцій і можна представити лінійними рівняннями вигляду:

, (7)

де , - швидкість середнього зміщення перманентних станцій і по відповідній координатній осі; – різниця часу між початковою та кінцевою епохами спостережень ; і значення відповідної координати станції і на початкову епоху спостережень.

Тоді інтегральний вираз середніх квадратичних відхилень проекцій виміряних векторів між станціями r та u на відповідну координатну вісь набуває вигляду:

(8)

Нормовані коефіцієнти кінематики перманентної станції для відповідної осі координат, використані у виразі (5), обчислюються із залежності:

(9)

- загальна кількість перманентних станцій у мережі, - ненормований кінематичний коефіцієнт перманентної станції r , який для осі виражається:

(10)

а з врахуванням (8) . Нормовані коефіцієнти кінематики є

8

(11)

Для визначення зміщень , , , , перманентних станцій з урахуванням виразу (5), знаходимо середньовагове зміщення кожної пари перманентних станцій по відповідних осях:

(12)

де - зміна проекції виміряних векторів - між сусідніми циклами спостережень на відповідну координатну вісь.

Середньовагове зміщення по одній із координатних осей ТСК мережі, спричинене дією внутрішніх сил, рівне:

. (13)

Проекція середнього зміщення ТСК мережі на відповідну координатну вісь, визначена з класичного урівноваження, обчислюється із виразу:

(14)

де - зміщення між сусідніми циклами спостережень -ї перманентної станції по відповідній осі координат.

Різниці між середнім зміщенням ТСК мережі по відповідній осі координат, спричиненого дією внутрішніх сил і визначеним із класичного урівноваження:

. (15)

Зміщення по відповідній осі координат і -їо перманентної станції, спричинене дією внутрішніх сил, визначається за виразом:

. (16)

Сер. кв. похибка визначення значення відповідної координати і -ої перманентної станції у циклі відносно 1-го циклу спостережень із врахуванням похи-бок вимірів і відхилень кінематичної моделі від істинної розраховується за виразом:

, (17)

де : , - сер. кв. похибки визначення значення відповідної координати і-ї перманентної

9

станції за результатами урівноваження у першому циклі спостережень та у циклі, - Сер. кв. кінематична похибка визначення значення відповідної координати і-ої перманентної станції у циклі,.

Сер. кв. похибка зміщення по відповідній осі координат і-ої перманентної станції, спричиненого дією внутрішніх сил на момент часу , визначається за виразом:

(18)

З метою визначення вектора ротації, який є результатом обертання тектонічної плити навколо полюса Ейлера, нами розроблена методика для обчислення кутової швидкості обертання і координат полюса Ейлера за результатами визначених лінійних швидкостей зміщень перманентних станцій.

Зв’язок швидкості зміщення перманентної станції з координатами полюса Ейлера тектонічної плити з її кутовою швидкістю обертання в геодезичних координатах можна представити наступними виразами:

(19)

д – кутова швидкість обертання плити; – координати полюса обертання (Ейлера); , – координати перманентної станції з визначеними швидкостями зміщень у широтному та довготному напрямках , .

Продиференціювавши вирази (19), по всіх параметрах отримаємо такі рівняння:

(20)

(21)

де ДЩ і ДШ, ДЛ –поправки у кутову швидкість обертання плити і координати полюса обертання (Ейлера); Щ0 Ш0 Л0 – початкові значення кутової швидкості обертання плити і координат полюса обертання (Ейлера).

Вільні члени , ваги і залишкові значення координат полюса Ейлера і швидкості обертання обчислюються із залежностей:

,

, (22)

Середньоквадратичні похибки визначення координат полюса Ейлера та кутової швидкості тектонічної плити:

10

(23)

? середньоквадратична похибка одиниці ваги; а – відповідне рівняння поправок.

Розроблена методика дозволила виконати дослідження впливу внутрішніх та зовнішніх сил на кінематику Антарктичної літосферної плити. За вихідні дані вибрано результати вимірів за період з 1994 по 2005,5 рр. для перманентних GPS-станцій, CAS1, DAV1, VESL, MCM4, KERG, SYOG, OHI2, OHI3, MCM0 (рис.1), які є загальнодоступні у мережі Інтернет. Однак бази даних спостережень на цих станціях не є рівноцінними за тривалістю вимірів і їх безперервністю. На станціях OHI2, OHI3, MCM0 виміри охоплюють всього 1,5 року і при цьому є тривалі перерви у їх роботі. Тільки за період з 2003 по 2005,27 р.р. спостереження на шести станціях (CAS1, DAV1, VESL, MCM4, KERG, SYOG) виконувались практично безперервно. На підставі рівноцінності спостережень ці виміри за вказаний період часу слугували вихідними для розрахунків.

Рис.1. Вектори швидкостей зміщення перманентних GPS-станцій .

За результатами вимірів обчислено вектори швидкостей абсолютних зміщень перманентних станцій та їх складові і (рис 1). Проекції на осі координат цих векторів і похибки їх визначення представлено у таблиці 1.

З таблиці 1 бачимо, що проекції і векторів мають як додатні, так і від’ємні значення. Це свідчить про те, що у рівнянні (2) вектор м, що і підтверджує різностороннє спрямування векторів (рис.1). Для вектора проекції мають тільки додатні значення, а проекції - тільки від’ємні значення, а з рис.1 видно, що всі вектори є спрямовані у північно-західному напрямку. Це свідчить про загальне зміщення плити під дією зовнішніх сил. Проекції і вектора дорівнюють з відповідним знаком мінімальним абсолютним значенням проекцій і векторів . Ці значення проекцій =1,53 (мм/рік) і = -1,13 (мм/рік) відповідають перманентній станції VESL. Оскільки , то з рівнянь (2, 3) отримаємо , а .

11

Таблиця 1.

Проекції векторів швидкостей зміщення перманентних GPS-станцій , і на координатні осі , та сер.кв. похибки їх визначення , . 

Назва |

(мм/рік) (мм/рік) (мм/рік) | CAS11,10 | -4,24 | 0,26 | 0,12 | -1,72 | -2,32 | 1,39 | 0,36 | 2,80 | -1,93 | 1,41 | 0,38 | DAV1 | 1,37 | -2,26 | 0,15 | 0,24 | -0,97 | -0,27 | 0,95 | 1,07 | 2,34 | -1,99 | 0,96 | 1,10 | KERG | -1,29 | -0,27 | 0,21 | 0,29 | -3,32 | 2,35 | 1,08 | 1,32 | 2,03 | -2,62 | 1,10 | 1,35 | MCM4 | 4,59 | -4,93 | 0,24 | 0,15 | 1,59 | -3,65 | 1,65 | 0,15 | 2,98 | -1,28 | 1,67 | 0,21

SYOG | 2,31 | 0,29 | 0,02 | 0,5 | 0,51 | 2,05 | 0,37 | 0,87 | 1,81 | -1,76 | 0,37 | 1,00 | VESL | 5,26 | 0,36 | 0,38 | 0,42 | 3,73 | 1,49 | 0,75 | 0,45 | 1,53 | -1,13 | 0,84 | 0,62 | Для визначення складових , застосовано методику, основою якої є вирази (20-23). Вихідними даними для визначення координат полюсів обертання тектонічної плити слугували проекції на координатні осі векторів і . Результати визначення кутової швидкості обертання тектонічної плити і координат полюса її обертання та під дією зовнішніх та внутрішніх сил, а також Сер. кв. похибки їх визначення , і подані у таблиці 2.

Таблиця 2

Ротаційні параметри Антарктичної тектонічної плити та сер. кв. похибки їх визначення.

Вектор | *10-6 /рік | *10-6 /рік | ° | °

0,004 | -44,742 | 29,122 | 0,017 | 61,761 | 321,264

-0,174 | -74,068 | 67,758 | 0,026 | 2,849 | 8,197

Розрахунки, проведені за даними векторів швидкостей зміщень перманентних станцій, обумовлених дією зовнішніх сил, вказують на відсутність обертання плити і фіксації полюса Ейлера. Про це свідчать сер. кв. похибка , яка значно перевищує величину , та сер. кв. похибки і , які перевищують розміри Антарктичної плити. На основі виконаних розрахунків можна стверджувати, що вектор = 0. Тоді . Проекції векторів на координатні осі представлено у таблиці 3. Їх значення є значно менші від відповідних проекцій інших векторів. Це підтверджує те, що є “шумом” вектора швидкостей зміщень .

Однак за даними векторів швидкостей зміщень перманентних станцій, спричи-нених дією внутрішніх сил, можна стверджувати про наявність обертання Антарк-тичної плити навколо фіксованого полюса. Точність визначення кутової швидкості обертання плити є на порядок вищою від її величини. Від’ємний знак кутової швидкості вказує на обертання плити в напрямку обертання Землі. Точність визначення координат полюса обертання плити також свідчить про його впевнену фіксацію порівняно із розмірами Антарктичної тектонічної плити. На основі визначених параметрів ,, за виразами (19) визначено широтну та довготну проекції вектора , а в таблиці 3 представлено результати їх трансформації на координатні осі і . За результатами виконаних обчислень знаходимо вектор . Проекції вектора

12

на координатні осі подано у таблиці 3.

На рис. 2-3 показано вектори і та результати їх розкладу на складові. Вектор , який є результатом прояву внутрішніх сил, призводить до обертання плити навколо фіксованого центра і її деформацій, що відображено векторами . На рис 4 представлено положення полюсів Ейлера, визначених за розробленою методикою та іншими моделями кінематики літосферних плит (R. Dietrich, APKIM-2000, SOPAC, NNR-NUVEL-1A).

Прояв зовнішніх сил, представлених вектором , призводить виключно до загального зсуву тектонічної плити, якому відповідає вектор швидкості 1,90 ± 1,0 (мм/рік) з проекціями =1,53 (мм/рік) і = -1,13(мм/рік).

Складові векторів швидкостей зміщень перманентних GPS-станцій, спричинених дією внутрішніх сил, свідчать про ротаційний рух плити, що, на нашу думку, викликано більш швидким обертанням внутрішнього ядра Землі порівняно з іншими її геосферами. Таке пришвидшене обертання твердого субстрату внутрішнього ядра аналогічно буде захоплювати і обертати рідкий субстрат зовнішнього ядра і напів-рідкий субстрат мантії. У результаті таких обертових рухів у районі земних полюсів у літосфері повинні проявлятися аналогічні ротаційні процеси, дія яких підтверджується достатньо високою точністю визначення ротаційних параметрів. Крім цього, підтвердженням цієї гіпотези є максимальна наближеність до осі обертання Землі полюса Ейлера, визначеного за швидкостями зміщень перманентних GPS-станцій, викликаних дією внутрішніх сил, на відміну від полюсів Ейлера, визначених за існуючими моделями глобальної кінематики тектонічних плит (рис 4).

Орієнтація у північно-західному напрямку векторів зміщень і вектора загального зсуву плити , спричинених дією зовнішніх сил, пояснюється існуванням між Антарктичною та Австралійською плитами зони спредингу, яка спричиняє певний тиск на Антарктиду у північно-західному напрямку. Ще одним фактором, який свідчить про такий напрямок цих векторів, є наявність потрійного зчленування Буве на північний захід від Антарктиди, що характеризується тонкою

13

Таблиця 3.

Значення та оцінка точності визначення векторів швидкостей зміщень перманентних GPS-станцій та їх складових, спричинених дією внутрішніх та зовнішніх сил

Назва | (мм/рік) | (мм/рік) | (мм/рік) | (мм/рік) | (мм/рік) | (мм/рік) | (мм/рік) | (мм/рік)

CAS1 | -1,12 | -2,21 | 0,51 | 0,01 | -0,59 | -0,10 | 1,48 | 0,36 | 1,53-1,13 | 0,84 | 0,62 | 1,27 | -0,80 | 1,64 | 0,73

DAV1 | -0,97 | -0,24 | 0,36 | 0,34 | 0,01 | -0,02 | 1,02 | 1,12 | 1,53-1,13 | 0,84 | 0,62 | 0,81 | -0,86 | 1,28 | 1,26

KERG | -3,59 | 1,17 | 0,45 | 0,48 | 0,27 | 1,18 | 1,17 | 1,40 | 1,53-1,13 | 0,84 | 0,62 | 0,50 | -1,49 | 1,38 | 1,49

MCM4 | 1,87 | -2,72 | 0,47 | 0,21 | -0,28 | -0,93 | 1,72 | 0,26 | 1,53-1,13 | 0,84 | 0,62 | 1,45 | -0,15 | 1,87 | 0,65

SYOG | 0,22 | 1,57 | 0,12 | 0,53 | 0,29 | 0,48 | 0,39 | 1,02 | 1,53-1,13 | 0,84 | 0,62 | 0,28 | -0,63 | 0,92 | 1,18

VESL | 2,24 | 2,06 | 0,42 | 0,38 | 1,49 | -0,58 | 0,86 | 0,59 | 1,53-1,13 | 0,84 | 0,62 | 0,00 | 0,00 | 1,19 | 0,88

Рис. 2. Вектори зміщень перманентних GPS-станцій, та їх складові і |

Рис. 3. Вектори зміщень перманентних GPS-станцій та їх складові і |

Рис. 4 Положення полюсів Ейлера

для Антарктичної тектонічної плити

14

ослабленою океанічною корою, яка не може створювати перешкод для руху Антарктичної плити у цьому напрямку під дією тиску з північно-східної сторони.

У третьому розділі “Регіональні та локальні дослідження сучасних рухів земної кори в районі Антарктичного півострова” за результатами GPS-вимірів, виконаних в 1995 – 1998 рр. під егідою SCAR (Scientific Committee on Antarctic Research) на регіональній мережі Антарктичного півострова, обчислено компоненти відносних деформацій земної кори, побудовано карт-схеми їх розподілу та виконано інтерпретацію отриманих результатів. Також за результатами GPS-вимірів, виконаних у 2003, 2005 р.р. на локальному геодинамічному полігоні архіпелагу „Аргентинські острови” (Антарктичний півострів), встановлено значення векторів зміщень пунктів цієї мережі та розроблено модель тектонічних мікроблоків розлому протоки Пенола. Виконано порівняльний аналіз інтенсивності локальної, регіональної та глобальної сучасної кінематики Антарктики. З метою вивчення розподілу компонент деформацій земної кори територію Антарктичного півострова умовно розбито на окремі трику-тники, у вершинах яких знаходяться 13 пунктів регіональної GPS-мережі. Геометричні центри цих трикутників під відповідними номерами показані на рис. 5-6. Нами для кожного трикутника обчислено компоненти деформацій земної кори (рис. 5, 6).

Вектори відносних зсувів центрів трикутних елементів земної поверхні на тери-торії Антарктичного півострова мають в основному хаотичне спрямування. Значно виділяється за величиною вектор під номером 12, який знаходиться в районі архі-пелагу “Аргентинські острови” (Рис.5). Значення дилатації для даної території є у межах від 1/рік до 1/рік та в середньому складає 1/рік, що свідчить про стискання цієї території. Мінімальне її значення 1/рік зафіксоване у районі архіпелагу “Аргентинські острови” (рис 6).

Рис. 5. Карт-схема розподілу компоненти деформацій відносного зсуву земної поверхні (е ) на Антарктичному півострові |

Рис. 6. Карт-схема розподілу дилатації (розширень або стиснень території) на Антарктичному півострові

15

Значення абсолютних швидкостей горизонтальних зміщень пунктів мережі знаходяться в межах від 15,6 мм/рік до 29,8 мм/рік та мають переважно північне спрямування. Максимальна швидкість руху за результатами спостережень (1995, 2003 та 2005 р) зафіксована для пункту VER1, який знаходиться на території Арген-тинських островів біля Української Антарктичної станції “Академік Вернадський”.

На нашу думку, такий розподіл деформаційних параметрів викликаний тектонічною активністю у районі архіпелагу “Аргентинські острови”. Крім цього слід зазначити, що різноманітність рухів і деформацій земної кори за напрямом і величинами на території Антарктичного півострова може свідчити про диференціацію земної кори на окремі геодинамічно незалежні тектонічні блоки і структури.

У зв'язку із розбіжностями між геолого-геоморфологічними та інструментальними тектоно-магнітометричними дослідженнями у просторовому трасуванні тектонічного роз-ло-му Аргентинських островів та з метою доповнення результатів, отриманих геолого-геофізичними методами у цьому регіоні у рамках сезонної 8-ої Української Антарктичної Експедиції (2003 р.) спільними зусиллями працівників Національного університету “Львівська політехніка”, ЗАТ “ECOMM” та підтримці Українського антарктичного центру, створено прецизійну геодезичну мережу навколишніх островів (Рис. 7). Повторні GPS-виміри проведено співробітниками Національного університету “Львівська політехніка”в березні та квітні 2005 році під час сезонних робіт 10-ї Української Антарктичної Експедиції.

Рис. 7. Схема кінематики пунктів геодезичної мережі архіпелагу “Аргентинські острови” |

Рис 8. Геологічна інтерпретація зміщень пунктів геодезичної мережі архіпелагу “Аргентинські острови”

16

За результатами обох циклів спостережень визначено просторові вектори швидкостей відносних зміщень пунктів мережі (рис. 7), в межах 8 мм/рік. Аналіз векторних зміщень геодезичних пунктів геодинамічного полігону вказує на похиле залягання поверхні розриву та складну ступінчасту її будову, вірогідно, утворену із чотирьох мікроблоків (рис.8). Ця структура має характер класичного скиду з нахиленою поверхнею розриву, що і спричиняє за відносного вертикальному зміщен-ня двох основних (1 і 4) блоків їх одночасне горизонтальне переміщення. Век-тори зміщень, зафіксовані у районах о. Петерман та о. Фанфаре, пов’язані, очевидно, з дещо відмінним напрямком руху ступінчастих блоків 2 і 3, замкнутих у зоні розлому. Характер цих рухів можна пов’язувати з клиноподібною будовою мікроблоків у горизонтальному перерізі, що спричиняє “витискування” їх у південному напрямі. Можна допустити, що менший блок 3 успадковує опускання більшого блоку 4, і навпаки, менший блок 2 успадковує вертикальне підняття більшого блоку 1.

З метою узагальнення кінематики Антарктичної тектонічної плити у таблиці 4 представлено значення абсолютної швидкості її руху та значення абсолютних і відносних зміщень пунктів регіональних геодинамічних GPS-мереж, які характеризують швидкість руху мікроплит Антарктики, на яких вони закріплені.

Таблиця 4

Абсолютні і відносні швидкості зміщень земної кори в Антарктиці

Назва об’єкту | Абсолютні рухи | Відносні рухи | Сер.(мм/рік) | Макс.(мм/рік) | Сер.(мм/рік) | Макс.(мм/рік) | Антарктична плита | 8,5 | 14,6 | - | - | Антарктичний півострів (AP) | 18,4 | 29,8 | 2,0 | 5,0 | Трансантарктичні гори (TM) | 14,0 | 20,0 | 3,0 | 5,0 | Земля Вікторія (VL) | 12,0 | 17,0 | 2,0 | 5,0 | Земля Мері Бірдv (MBL) | - | - | 1,0 | 3,0 | Аргентинські острови | - | 29,7 | 10,0 | 17,0 | З таблиці 4 бачимо, що кінематика земної кори в межах Антарктичної плити та її мікроплит є неоднорідною. Середня та максимальна абсолютні швидкості руху мікроплит Антарктики (крім Антарктичного півострова) приблизно на 60% більші від відповідних швидкостей руху Антарктичної тектонічної плити. Таким чином мікро-плити успадковують рух плити і окрім цього зазнають власних переміщень, спричинених їх взаємодією та активністю тектонічних розломів, що знаходяться на їх границях. Відносні швидкості рухів мікроплит Антарктики близькі за величинами. На нашу думку, це свідчить про однорідну інтенсивність кіне-матики Антарктичних мікроплит. Максимальну абсолютну швидкість серед мікро-плит має Антарктичний півострів, що свідчить про підвищену тектонічну актив-ність даного регіону, яка також підтверджується результатами геолого-геофізичних досліджень.

Таким чином, отримані нами та іншими дослідниками результати дозволяють стверджувати, що динаміка тектонічних блоків Антарктичної тектонічної плити є неоднорідною у порівнянні із рухом самої плити, а для території Аргентинських островів характерна підвищена кінематика горизонтальних рухів порівняно з півостровом та Антарктичною плитою.

17

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі теоретично обґрунтовано та розроблено нові методики опрацювання супутникових геодезичних вимірів. На основі довготривалих GPS-вимі-рів із застосуванням цих методик виконано дослідження геодинаміки Антарктичної тектонічної плити та розподілу її кінематичних та деформаційних параметрів. Узагальнюючи результати цих досліджень, можна зробити такі висновки.

1. На основі проведеного аналізу методів дослідження рухів літосферних плит можна стверджувати, що сучасні геодезичні супутникові методи завдяки оперативності, безперервності і високій точності є визначальними для дослідження сучасної кінематики тектонічних блоків земної кори. Геофізичні та геологічні методи є ефективні у вивченні давніх тектонічних рухів, а при дослідженні сучасної кінематики літосферних плит дозволяють тільки доповнювати або інтерпретувати результати геодезичних вимірів.

2. Теоретично обґрунтовано та розроблено методику розрахунку зміщень перманентних GPS-станцій, викликаних дією внутрішніх та зовнішніх сил, а також диференціації їх на складові, викликані загальним рухом плити, її деформацією та ротацією, що відкриває можливості дослідження впливу дії сил різної фізичної природи на зміну кінематичних параметрів тектонічних плит.

3. Використовуючи розроблені методики, виконано диференціацію кінематики Антарктичної тектонічної плити за результатами спостережень шести перманентних GPS-станцій. У результаті виконаних досліджень виявлено, що дія внутрішніх сил на Антарктичну тектонічну плиту призводить до її деформації та обертання навколо фіксованого центру. Кутова швидкість обертання тектонічної плити складає °=(0,174±0,026)*10-6 за рік. Отримані результати підтверджує теорія пришвидшеного обертання внутрішнього ядра Землі порівняно з іншими