Опыт применения спутниковой радарной интерферометрии для изучения вулканических процессов на Камчатке

Полуостров Камчатка является одним из наиболее активных участков Тихоокеанского огненного кольца. В связи с удаленностью территории и неразвитой инфраструктурой центральная и северная часть полуострова остаются недостаточно изученными, плотность наблюдательных сетей (сейсмических, геодезических и др.) невысокая. В этих условиях спутниковый мониторинг, в особенности спутниковая радарная интерферометрия, становится важным инструментом изучения активных геодинамических процессов. В то же время оценка смещения поверхности вулканов по снимкам, полученным спутниковыми радарами с синтезированной апертурой (РСА интерферометрия), здесь затруднена из-за сложного горного рельефа, мощного снежного покрова, недостаточно точных цифровых моделей рельефа (ЦМР), низкой когерентности природных ландшафтов.
Институт физики земли им. О.Ю. Шмидта РАН более 5 лет ведет работы по применению РСА интерферометрии на Камчатке. Наиболее надежные оценки удается получать с применением методов устойчивых отражателей по летним сериям снимков спутников Sentinel-1. Спутники европейского космического агентства Sentinel-1 работают в средневолновом диапазоне (длина волны 5.6 см), съемка ведется регулярно с нескольких треков, снимки становятся доступными через Интернет уже через несколько часов после их выполнения. Часто оценки полей смещений удается получить путем обработки пар длинноволновых снимков спутников японского космического агентства ALOS-1 и ALOS-2 (длина волны 23.4 см). Спутник ALOS-2 в настоящее время снимает территорию Камчатки значительно реже, чем Sentinel, всего несколько раз в год.
С использованием серий снимков спутника Sentinel-1А за бесснежный период 2017-2019 годов были оценены смещения поверхности лавового потока, сформированного в результате извержения вулкана Толбачик, которое происходило в период с 27 ноября 2012 по 15 сентября 2013 год. Обработка серии снимков по методу малых базовых линий (SBAS) показала, что основная часть лавового потока оседает, а по периферии Толудского и Ленинградского потоков наблюдаются небольшие поднятия. В предположении, что смещения происходят в основном по вертикали, максимальные средние скорости смещений за бесснежный период в 2017, 2018 и 2019 годах составили 285, 249 и 261 мм/год соответственно. Максимальные оседания приурочены к областям с максимальной мощностью лавы на Ленинградском и Толудском лавовых потоках. Эти оценки согласуются с величинами оседаний поверхности лавового потока, полученными по парным интерферограммам, построенным по снимкам спутника ALOS-2 за 2015 и 2016 годы.
Оценки термического погружения поверхности лавы в процессе ее остывания в целом близки к величинам оседания на значительной части лавового поля, но в центральной части Ленинградского и Толудского потоков реальные величины погружения в несколько раз превосходят термические оценки. Термическая модель также показывает, что при мощности лавы более 40 метров, под затвердевшей поверхностью может находиться горячий, подвижный слой, температура которого превышает 2/3 от температуры плавления. Перемещение лавы в незатвердевшей части лавового потока может вносить вклад в наблюдаемое ускоренное погружение.
Следующий пример касается прогноза подготовки извержения. Известно, что 20 января 2019 года произошло взрывное извержение вулкана Безымянный. До этого момента вулкан был неактивен более года. Сейсмичность в 2018 году была низкой, и предсказать это извержение по данным наземного мониторинга не удалось.
Однако с помощью методов радарной интерферометрии стало возможным оценить подготовку этого события. Были зарегистрированы сложные поля смещений на склонах вулкана в спокойный период между двумя извержениями 20.12.2017 и 20.01.2019 годов. По серии снимков спутника Sentinel-1 в период с мая 2018 по сентябрь 2018 установлено, что поднятия (точнее, смещения поверхности в направлении на спутник) незначительно нарастают вверх по склону. Поле скоростей смещений в своих максимальных значениях достигает 40 мм/год. Эти структурные изменения рельефа, по-видимому, связанны с подъемом лавы в магматическую камеру, т.е. с переходом вулкана в активную фазу.
В период с октября по декабрь 2008 года на западном склоне вулкана Корякский отмечалась фумарольная активность. Полученная карта смещений по двум снимкам спутника ALOS-2 (16.08.2007, 06.10.2009) обнаруживает область локального поднятия на склоне вулкана. Обращенный на запад – северо-запад склон вулкана испытал смещения в 15-20 см в направлении на спутник. Полученный результат также показывает, что некоторые снимки спутника ALOS сохраняют хорошую интерферометрическую корреляцию на большом временном интервале в 2 и 3 года.
Эти и другие примеры демонстрируют высокую эффективность РСА интерферометрии для мониторинга активных вулканов Камчатки.
Благодарности. Авторы благодарят Европейское космическое агентство и Японское космическое агентство за предоставленные снимки спутника Sentinel-1А и ALOS-2.
Финансовая поддержка. Работа выполнена при поддержке гранта Министерства образования и науки №14.W03.31.0033 “Геофизические исследования, мониторинг и прогноз развития катастрофических геодинамических процессов на Дальнем Востоке РФ”.