ОПРЕДЕЛЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ПО МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИМ И GPS-ДАННЫМ

The Global Positioning System (GPS) based on satellites and the networks of dual frequency receivers are actively used for geodetic and geophysical applications, as well as for studying the ionosphere and troposphere. The atmospheric water content is in the focus of research as a key parameter for determining of the accuracy of weather forecasting and hydrological monitoring. The precision of atmospheric water content calculations depends on the accuracy of determination of the delays of signals propagating from GPS satellites to ground-based GPS receivers when geodynamic measurements are conducted. This paper describes a technique that allows us to estimate the integrated water vapor (IWV) in the atmosphere from measurements of GPS satellite signal delays.We consider remote sensing of the lower atmosphere by GPS measurements to detect the water vapor content in the conventional vertical column to the top level of the troposphere (up to 12 km above the Earth's surface). In studies of the propagation of signals from GPS satellites to ground receivers, the atmospheric water vapor is taken into account as a ‘wet’ component (ZWD) of the zenith tropospheric delay (ZTD). ZTD is the sum of ZHD (hydrostatic or ‘dry’ delay) and ZWD (‘wet’ delay). ZWD values can be converted with a very high confidence in integrated water vapor (IWV) values for each installed GPS receiver.Система спутникового позиционирования GPS с использованием сетей двухчастотных приемников активно применяется не только для решения задач геодинамики, но и для исследования ионосферы и тропосферы. Особый интерес представляет оценка атмосферного влагосодержания, так как это один из ведущих параметров определения точности прогнозов погоды и гидрологического мониторинга. Точность оценки влагосодержания определяет точность оценки задержки GPS-сигнала при геодинамических измерениях. В работе описывается методика, позволяющая оценивать значение интегрального влагосодержания атмосферы по измеряемым фазовым задержкам сигнала спутников GPS.Рассматривается дистанционное зондирование нижней части атмосферы посредством GPS-измерений с целью определения содержания водяного пара в условном вертикальном столбе до уровня верхней части тропосферы (до 12 км над поверхностью Земли). Атмосферный водяной пар учитывается в процессе распространения сигналов от GPS-спутников до наземных приемников в виде «влажной» компоненты полной тропосферной задержки (ZWD). Полная тропосферная зенитная задержка (ZTD) является суммой «сухой», или гидростатической (ZHD), и «влажной» (ZWD) компонент. Данные по ZWD могут быть преобразованы с очень высокой достоверностью в данные по суммарному водяному пару (IWV) над каждым установленным GPS-приемником

COSEISMIC EFFECTS OF THE 11 JANUARY 2021 HOVSGOL, MONGOLIA, EARTHQUAKE

The research provides an example of the GPS time series processing for monitoring of horizontal coseismic displacements during the 11 January 2021 M 6.7 Hovsgol earthquake, Mongolia. There has been developed a methodological approach to the study of coseismic displacements at the time of the earthquake. This paper presents the results of determining the values of horizontal coseismic displacements which are 0.6 mm in the junction zone between the Hovsgol and Tunka depressions and hundredths of a millimeter for the Siberian block and Transbaikalia areas. For stations located on the southern margin of the Siberian block and stations in Transbaikalia, the vectors of coseismic displacements are directed to the west. The calculated displacement vectors of the stations near the epicenter (MNDY and BADG) are directed to the southeast

ANALYSIS OF THE SEISMIC AND IONOSPHERIC EFFECTS OF THE KUDARINSKY EARTHQUAKE ON DECEMBER 9, 2020

According to the data obtained on the equipment of the IEC SB RAS complex monitoring base for hazardous geological processes "Buguldeika" (Shared Research Facilities "Geodynamics and Geochronology" of IEC SB RAS) and Shared Research Facilities "Angara" of ISTP SB RAS an analysis of the characteristics of the Kudarinsky earthquake (09.12.2020) and the behaviour of the ionosphere during this event was carried out. The source parameters of the earthquake were obtained – the seismic moment of the earthquake (M0=3.02·1017 N·m), the moment magnitude (Mw=5.6), the source radius (2.43 km), and the stress drop (1.26 MPa).The analysis of the ionosphere behaviour carried out using GPS/GLONASS receivers did not reveal disturbances caused by the Kudarinsky earthquake, which is most likely due to the relatively small magnitude of this earthquake. An analysis of the observation series related to the Kudarinsky earthquake showed the efficiency of using the Core Facilities Centre equipment and complex monitoring bases for studying seismicity, which is the most dangerous natural process for the Baikal region

МЕХАНИЗМЫ ОЧАГОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ И ПОЛЕ НАПРЯЖЕНИЙ МОНГОЛИИ И ПРИЛЕГАЮЩИХ ТЕРРИТОРИЙ

We have compiled and analyzed earthquake focal solutions for the territory of Mongolia and its surroundings in order to reveal a spatial variability of stress orientation and stress regimes of the crust. According to the stress inversion results, the SHmax is turning from W-E in the eastern Mongolia to SW-NE in the Gobi Altay and the central Mongolia, and then to S-N in the western part of the region. Comparison with data derived from GPS measurements shows that directions of the strain axes revealed by the geodetic and seismological observations are generally consistent. A contradiction is found for the Bolnai zone where results of GPS estimation indicate the predominance of extension (in the SE-NW direction), whereas earthquake data for the longer period of seismic observations reveal compression. Compression in this zone is mainly due to the Tsetserleg-Bolnai earthquakes contribution; however, a part of the recent data on focal mechanisms fits an extensional stress field with the NNW orientated extension axis. These data are in accordance with some published works which suggest a transtensive field from some structural geology studies in the eastern part of the Bolnai zone.The paper is supplemented with a list of M≥4.5 earthquake fault plane solutions and unpublished focal mechanisms for some M≤4.5 earthquakes of the northern Mongolia and the southern Baikal region.Введение. Механизмы очагов землетрясений наряду с геодезическими и другими данными служат источником информации о напряженно-деформированном состоянии земной коры. Задачи оценки тектонического режима и скорости деформирования особенно актуальны для внутриплитных областей, характеризующихся высоким уровнем сейсмичности. Одной из таких областей является Монголия, на территории которой известны землетрясения с М=8.0 (рис. 1). В представляемой работе собраны и проанализированы механизмы очагов землетрясений с M≥4.5 с целью проследить пространственную изменчивость поля напряжений земной коры. Данные. Опубликованные данные о фокальных решениях можно разделить на две группы в зависимости от применяемых для их определения методов. К первой группе относятся механизмы, полученные моделированием волновых форм на удаленных и региональных станциях. Вторая группа решений получена при использовании метода полярности первых вступлений волн. Данный метод широко применялся для умеренной силы землетрясений северной части Монголии и Южной Сибири, что обусловлено более плотным покрытием этого региона сейсмостанциями. Используемые для анализа в данной работе решения представлены в таблице (в разделе «Дополнительные материалы») и на карте (рис. 2). Методы. Для инверсии поля напряжений использовались два подхода. Для землетрясений основных сейсмических зон (Болнай, Гобийский Алтай, Могод и т.д.) применялась программа Win-Tensor [Delvaux, Sperner, 2003], в которой реализован метод right dihedra [Angelier, 1984]. Для получения более сглаженной по всей территории картины ориентации осей напряжений использовалась программа SATSI [Hardebeck, Michael, 2006], минимизирующая разницу между соседними «индивидуальными» стресс-тензорами для сейсмоактивных областей. Для более корректного сравнения сейсмологических данных с результатами GPS-измерений и визуализации сейсмотектонических деформаций представлены стереограммы средних фокальных механизмов [Nikitin, Yunga, 1977; Yunga, 1990]. Результаты. Полученные результаты показывают, что фокальные решения землетрясений южной, западной и восточной части Монголии однородны и представлены главным образом сдвиговыми и взбросовыми подвижками в очагах. Большим разнообразием кинематических типов разрывов характеризуется территория к северу от Болнайского разлома. Для непосредственно Болнайской зоны не удалось получить единого стресс-тензора. Выборка разделилась на главные толчки (Болнайское и Цэцэрлэгское землетрясения 1905 г.), состоящие из субисточников, и события, зарегистрированные в период инструментальных наблюдений. Последние показывают наличие в выборке решений, удовлетворяющих режиму растяжения. В целом, наблюдается изменение ориентации оси SHmax от направления Ю-С в западной части Монголии до ЮЗ-СВ в Гобийском Алтае и в центральной части страны и до широтного направления в Восточной Монголии. Обсуждение результатов. Очевидно, что основные характеристики поля напряжений на представленной территории уже выявлены и описаны в предшествующих работах [Zhalkovskii et al., 1995; Petit et al., 1996; Delvaux et al., 1998; Melnikova et al., 2004; Melnikova, Radziminovich, 2005; San’kov et al., 2005; Gol’din, Kuchai, 2007; Radziminovich et al., 2007; Parfeevets, San’kov, 2010; San’kov et al., 2011; Parfeevets, San’kov, 2012; Rebetsky et al., 2013; Tataurova et al., 2014; Kuchai, Kozina, 2015; Karagianni et al., 2015; и др.]. Все увеличивающийся объем новых данных, с одной стороны, подтверждает сделанные ранее выводы, а с другой – позволяет выявить некоторые детали. Результаты, полученные по сейсмологическим данным, согласуются с данными, полученными в ходе геолого-структурных работ [Parfeevets, Sankov, 2012] и GPS-измерений [Calais et al., 2003; Loukhnev et al., 2010]. Выделяется Болнайская зона, которая по геодезическим расчетам характеризуется деформацией удлинения земной коры или растяжением. Выше отмечалось, что часть фокальных механизмов соответствует такому полю напряжений. Более того, замеры трещиноватости также приводят авторов [Parfeevets, Sankov, 2012] к выводу о режиме транстенсии в восточной части Болнайской зоны, связанном, вероятно, с дивергенцией Евразийской и Амурской плит [Petit, Fournier, 2005]. Характер изменений сейсмотектонических деформаций в этом районе позволил авторам работы [Kuchai, Kozina, 2015] выделить, хоть и в широких пределах, границу Амурской плиты. По данным о землетрясениях с M≥7.0 была рассчитана скорость деформации по формуле Кострова (табл. 2). Для временного интервала в 100 лет она составила 1.12×1020 N m yr–1, что является высоким значением для внутриконтинентальных областей по сравнению с модельными значениями [Holt et al., 1995, 2000]. Очевидно, это связано с сильнейшими землетрясениями региона, произошедшими на протяжении небольшого интервала времени. Заключение. Карта фокальных механизмов и результаты инверсии поля тектонических напряжений могут быть полезны при сейсмотектоническом и геодинамическом анализе Центральной Азии. В разделе «Дополнительные материалы» приведена компиляционная таблица механизмов очагов землетрясений с M≥4.5 и ранее неопубликованные механизмы очагов землетрясений Северной Монголии и Южного Прибайкалья с M≤4.5

Определение тропосферной рефракции над пунктами наблюдения IRKM (Иркутск), ULAZ (Улан-Удэ) и BADG (Бадары)

The article describes the possibility of using the passive satellite measurements of the atmosphere to investigate the vertical patterns of pressure, temperature and relative humidity and simulate the altitude dependence of the refractive index of air. The seasonal parameters were determined for the exponential model showing the tropospheric refraction over observation points IRKM (Irkutsk), ULAZ (Ulan-Ude) and BADG (Badary). Post-processing of the input GPS data was conducted to ensure the highest positioning accuracy. In addition to high-precision geodesy, the global positioning method was used for determining the total tropospheric zenith delays (ZTD), which values are used to solve the problems of radio physics and meteorology. The angles of refraction and the true distances were estimated and compared in different seasons of the year. This study shows that the angles of refraction at the observation points located in the Baikal zone do not differ significantly in order of magnitude from the values estimated for other climatic zones.Рассматривается возможность использования пассивной спутниковой локации атмосферы с целью получения данных вертикального распределения давления, температуры и относительной влажности для моделирования высотной зависимости показателя преломления воздуха. Получены сезонные параметры экспоненциальной модели тропосферной рефракции над пунктами наблюдения IRKM (Иркутск), ULAZ (Улан-Удэ) и BADG (Бадары). В результате постобработки первичных GPS-данных достигается максимальная точность позиционирования. Помимо высокоточной геодезии метод глобального позиционирования позволяет определять полную тропосферную зенитную задержку (ZTD), которая имеет приложения в задачах радиофизики и метеорологии. Выполнены сравнительные расчеты углов рефракции и истинного расстояния в разные сезоны года. Показано несущественное отличие углов рефракции по порядку величин в пунктах наблюдения Байкальской зоны от других климатических зон

КОСЕЙСМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ХУБСУГУЛЬСКОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ В МОНГОЛИИ 11 ЯНВАРЯ 2021 г

The research provides an example of the GPS time series processing for monitoring of horizontal coseismic displacements during the 11 January 2021 M 6.7 Hovsgol earthquake, Mongolia. There has been developed a methodological approach to the study of coseismic displacements at the time of the earthquake. This paper presents the results of determining the values of horizontal coseismic displacements which are 0.6 mm in the junction zone between the Hovsgol and Tunka depressions and hundredths of a millimeter for the Siberian block and Transbaikalia areas. For stations located on the southern margin of the Siberian block and stations in Transbaikalia, the vectors of coseismic displacements are directed to the west. The calculated displacement vectors of the stations near the epicenter (MNDY and BADG) are directed to the southeast. Приведен пример обработки временных рядов GPS-наблюдений для оперативного исследования горизонтальных косейсмических смещений при Хубсугульском землетрясении в Монголии 11 января 2021 г. (М=6.7). Разработан методический подход для изучения косейсмических смещений в момент землетрясения. В работе представлены результаты определения значений горизонтальных косейсмических смещений, которые в зоне сочленения Хубсугульской и Тункинской впадин составляют 0.6 мм, а для районов Сибирского блока и Забайкалья – сотые доли миллиметра. Для станций, расположенных на южной окраине Сибирского блока, и станций Забайкалья, косейсмические смещения направлены на запад. Рассчитанные векторы смещений близлежащих к эпицентру станций (MNDY и BADG) направлены на юго-восток.

АНАЛИЗ СЕЙСМИЧЕСКИХ И ИОНОСФЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ КУДАРИНСКОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ 9 ДЕКАБРЯ 2020 г.

According to the data obtained on the equipment of the IEC SB RAS complex monitoring base for hazardous geological processes "Buguldeika" (Shared Research Facilities "Geodynamics and Geochronology" of IEC SB RAS) and Shared Research Facilities "Angara" of ISTP SB RAS an analysis of the characteristics of the Kudarinsky earthquake (09.12.2020) and the behaviour of the ionosphere during this event was carried out. The source parameters of the earthquake were obtained – the seismic moment of the earthquake (M0=3.02·1017 N·m), the moment magnitude (Mw=5.6), the source radius (2.43 km), and the stress drop (1.26 MPa).The analysis of the ionosphere behaviour carried out using GPS/GLONASS receivers did not reveal disturbances caused by the Kudarinsky earthquake, which is most likely due to the relatively small magnitude of this earthquake. An analysis of the observation series related to the Kudarinsky earthquake showed the efficiency of using the Core Facilities Centre equipment and complex monitoring bases for studying seismicity, which is the most dangerous natural process for the Baikal region.По данным, полученным на оборудовании пункта комплексного мониторинга опасных геологических процессов ИЗК СО РАН «Бугульдейка» (Центр коллективного пользования «Геодинамика и геохронология» ИЗК СО РАН) и Центра коллективного пользования «Ангара» ИСЗФ СО РАН, проведен анализ характеристик Кударинского землетрясения (09.12.2020) и поведения ионосферы во время этого события. Получены значения очаговых параметров землетрясения – сейсмический момент землетрясения (M0=3.02·1017 Н·м), моментная магнитуда (Mw=5.6), размеры очага (2.43 км), величина сброшенного напряжения (1.26 МПа).Проведенный с помощью приемников GPS/ГЛОНАСС анализ поведения ионосферы не выявил возмущений, вызванных Кударинским землетрясением, что, вероятнее всего, обусловлено относительно малой магнитудой этого землетрясения. Анализ рядов наблюдений в отношении Кударинского землетрясения показал эффективность использования оборудования центров коллективного пользования и пунктов комплексного мониторинга для исследования сейсмичности, которая является наиболее опасным природным процессом для Байкальского региона

Rapid ecological change in the coastal zone of Lake Baikal (East Siberia): Is the site of the world\u27s greatest freshwater biodiversity in danger?

Ecological degradation of the benthic littoral zone is an emerging, urgent problem at Lake Baikal (East Siberia), the most species-rich lake on Earth. Within the last five years, multiple changes have occurred in the nearshore benthos where most of the lake\u27s endemic species reside. These changes include proliferation of benthic algae, deaths of snails and endemic sponges, large coastal wash-ups of dead benthic algae and macrophytes, blooms of toxin-producing benthic cyanobacteria, and inputs of industrial contaminants into parts of the lake. Some changes, such as massive coastal accumulations of benthic algae, are currently shared with the Laurentian Great Lakes (LGLs); however, the drivers of these changes differ between Lake Baikal and the LGLs. Coastal eutrophication from inputs of untreated sewage is causing problems at multiple sites in Lake Baikal, whereas in the LGLs, invasive dreissenid mussels redirect pelagic nutrients to the littoral substrate. At other locations in Lake Baikal, ecological degradation may have different causes including water level fluctuations and the input of toxic industrial contaminants. Importantly, the recent deterioration of the benthic littoral zone in both Lake Baikal and the LGLs has occurred while little change has occurred offshore. This highlights the necessity of monitoring both the littoral and pelagic zones of large lakes for assessing ecosystem health, change and conservation

Vertical axis rotation (or lack thereof) of the eastern Mongolian Altay Mountains: implications for far-field transpressional mountain building

The Altay Mountains of Western Mongolia accommodate 10–20% of the current shortening of the India-Asia collision in a transpressive regime. Kinematic models of the Altay require faults to rotate anticlockwise about a vertical axis in order to accommodate compressional deformation on the major strike slip faults that cross the region. Such rotations should be detectable by palaeomagnetic data. Previous estimates from the one existing palaeomagnetic study from the Altay, on Oligocene and younger sediments from the Chuya Basin in the Siberian Altay, indicate that at least some parts of the Altay have experienced up to 39 ± 8° of anticlockwise rotation. Here, we present new palaeomagnetic results from samples collected in Cretaceous and younger sediments in the Zereg Basin along the Har-Us-Nuur fault in the eastern Altay Mountains, Mongolia. Our new palaeomagnetic results from the Zereg Basin provide reliable declinations, with palaeomagnetic directions from 10 sites that pass a fold test and include magnetic reversals. The declinations are not significantly rotated with respect to the directions expected from Cretaceous and younger virtual geomagnetic poles, suggesting that faults in the eastern Altay have not experienced a large degree of vertical axis rotation and cannot have rotated >7° in the past 5 m.y. The lack of rotation along the Har-Us-Nuur fault combined with a large amount of rotation in the northern Altay fits with a kinematic model for transpressional deformation in which faults in the Altay have rotated to an orientation that favours the development of flower structures and building of mountainous topography, while at the same time the range widens at the edges as strain is transferred to better oriented structures. Thus the Har-Us-Nuur fault is a relatively young fault in the Altay, and has not yet accommodated significant rotation

КОМПЛЕКСНЫЙ МОНИТОРИНГ ОПАСНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИБАЙКАЛЬЕ: ОРГАНИЗАЦИЯ ПИЛОТНОЙ СЕТИ И ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

The article deals with the first results of integrated geohazard monitoring conducted by the Institute of the Earth’s Crust SB RAS on the territory of Pribaikalye in 2020. The pilot network consists of three sites: "Buguldeika", "Priolkhonye" and "Listvyanka", each of which is equipped with high-precision digital devices including a broadband seismic station, a GPS receiver, deformometers, a sensor of soil radon emanations, and an observation station for the Earth’s electromagnetic environment. This equipment is designed to acquire quantitative information on rock deformation, recent movements and geophysical field variations for solving theoretical and applied problems of geodynamics and seismology, including development of earthquake prediction methods. In the vicinity of the sites, there have been made the hydroisotopic measurements as well as observations over the character of some of exogenous processes. Based on the comprehensive analysis of the seismological, tectonic, deformation and emanation data, acquired also through monitoring, there has been obtained the preliminary characteristics of the Kudarinsky earthquake (December 9, 2020, MW=5.6) that was followed by intensity 5 aftershocks in large cities of the southeastern East Siberia – Irkutsk, Shelekhov, Angarsk, Usolye-Sibirskoe and others. It has been found that the seismic event manifested itself almost in all the fields monitored. This implies the network efficiency for a purposeful study of the precursors of large earthquakes which can initiate the development of other hazardous geological processes in Pribaikalye. The deformation monitoring data show some general patterns of earthquake source evolution which corresponds to the fundamental principles of physical mesomechanics. This opens the prospects for diagnostics of the final phase of earthquake generation in the context of meta-instable state of deformation process and rock mass disintegration.Статья посвящена первым результатам комплексного мониторинга опасных геологических процессов, организованного на территории Прибайкалья в 2020 г. Институтом земной коры СО РАН. Пилотная сеть состоит из трех пунктов – «Бугульдейка», «Приольхонье» и «Листвянка», каждый из которых оснащен современным высокоточным цифровым оборудованием, включающим в себя широкополосную сейсмическую станцию, приемник GPS, деформометры, датчик эманаций почвенного радона, станцию наблюдений за электромагнитным полем Земли. Они позволяют осуществлять сбор количественной информации о деформациях горных пород, современных движениях, вариациях геофизических полей для решения теоретических и прикладных вопросов геодинамики и сейсмологии, в том числе для разработки способов прогноза землетрясений. В окрестностях пунктов проводятся гидроизотопные измерения, наблюдения за характером проявления некоторых экзогенных процессов. На основе комплексного анализа сейсмологических, тектонических, деформационных и эманационных данных, полученных в том числе в режиме мониторинга, составлена предварительная характеристика Кударинского землетрясения (09.12.2020 г., MW=5.6), которое сопровождалось сотрясениями с интенсивностью 5 баллов в крупных городах юга Восточной Сибири – Иркутске, Шелехове, Ангарске, Усолье-Сибирском и др. Установлено, что сейсмическое событие проявилось практически во всех изучаемых в режиме мониторинга полях. Это позволяет рассчитывать на эффективность создаваемой сети для целенаправленного изучения предвестников сильных землетрясений, которые могут инициировать интенсивное развитие других опасных геологических процессов в Прибайкалье. По данным деформационного мониторинга показано закономерное развитие очага готовящегося землетрясения, соответствующее в целом фундаментальным представлениям физической мезомеханики. Это открывает перспективы диагностики заключительной фазы его подготовки в рамках метанестабильной стадии развития деформации и разрушения породного массива