Введение

Алматы — крупнейший город Казахстана с населением более 2,2 млн человек — расположен у подножия хребта Иле Алатау, в зоне, где за последние 140 лет произошли Верненское (1887), Чиликское (1889, Mw 8,0–8,3) и Кеминское (1911) землетрясения [1; 12]. Палеосейсмологические исследования показывают, что разломы Северного Тянь-Шаня способны генерировать сильные землетрясения с интервалами повторяемости в тысячи лет, поэтому отсутствие свежих уступов на поверхности не доказывает их неактивность [2].

Современные смещения земной коры в регионе измеряются методами спутниковой геодезии с 1990-х годов [3; 4]. Однако опубликованные сети GNSS имеют шаг в десятки километров и не детализируют деформации внутри городской застройки. Медеуский район, занимающий предгорья с перепадом высот в сотни метров и пересечённый зонами разломов, остаётся слабо обеспеченным пунктами геодинамического мониторинга.

Цель работы — заложить пункт GNSS-мониторинга в Медеуском районе, определить его координаты в ITRF2020 и количественно оценить, какие скорости смещений можно будет обнаружить при повторных наблюдениях. Иначе говоря, статья отвечает на вопрос: что именно может и чего не может доказать нулевой цикл наблюдений и каким должен быть план следующих циклов.

Тектоническая обстановка и изученность района

Деформация Тянь-Шаня — внутриконтинентальная: регион удалён от границы плит на сотни километров и сжимается под дальним воздействием коллизии Индийской и Евразийской плит. По данным GPS, суммарное сокращение поперёк Тянь-Шаня составляет порядка 20 мм/год [3], причём к северной окраине горного сооружения скорости убывают до первых миллиметров в год [4].

На территории Алматы выделяют Алматинский, Илийский, Каргалинский, Боролдайский и Шамалганский разломы; в предгорьях Медеуского района проходит зона Алматинского разлома [12]. Следовательно, ожидаемый тектонический сигнал между пунктами в пределах города — единицы миллиметров в год. Помимо тектонического сигнала, на склонах возможны гравитационные смещения (оползни, крип), которые по величине могут превосходить тектонические, но имеют локальный характер.

Отсюда следует ключевое требование к мониторингу: точность определения скорости должна быть не хуже 1 мм/год, иначе тектонический сигнал неотличим от шума. Ни одна единичная кампания такой точности не даёт — её обеспечивают только повторные циклы наблюдений.

Материалы и методы

Пункт ARU1 заложен в ноябре 2025 г. в предгорной части Медеуского района на абсолютной высоте около 930 м, вблизи зоны активных разломов. При выборе места учитывались открытость горизонта, возможность долговременной сохранности центра и доступность для повторных наблюдений.

Наблюдения выполнены многосистемным GNSS-приёмником South G4 (зав. № S914F7152106068, прошивка 250605.R914PY) со штатной антенной G4-A; модель антенны в каталоге IGS ANTEX отсутствует. Высота антенны, по данным RINEX-заголовка, составила 1,4765 м от центра знака до фазового центра. Режим статический, интервал регистрации 5 с, маска возвышения 7°. Сессия длилась 70,6 мин: 6 ноября 2025 г., 09:37:35–10:48:10 UTC, 848 эпох. Приёмник зарегистрировал сигналы GPS (L1/L2/L5, 13 спутников), ГЛОНАСС (9), Galileo (8), BeiDou (24) и QZSS (3).

Данные в формате RINEX обработаны онлайн-сервисом AUSPOS (Geoscience Australia) [13], который выполняет относительное решение в Bernese GNSS Software 5.2 [6] с привязкой к станциям IGS. Использованы финальные эфемериды IGS, ионосферно-свободная линейная комбинация, тропосферная функция отображения GMF. В решение включены 13 станций IGS; ближайшие из них — CHUM, POL2 и BIK0 (район г. Бишкек, 181–202 км). Пункт ARU1 включён в сеть единственной базовой линией CHUM–ARU1 длиной 181,3 км. AUSPOS использует только сигналы GPS L1/L2 и прореживает наблюдения до интервала 3 мин; при отправке данных тип антенны не был указан (NONE), а высота антенны принята равной 0,000 м.

Те же данные повторно обработаны методом точного точечного позиционирования (PPP) [15] в онлайн-сервисе CSRS-PPP версии 5.15.5 (Natural Resources Canada) [14]. PPP не требует опорной станции и поэтому не зависит от длины базовой линии. Использованы финальные продукты, сигналы GPS (L1/L2), ГЛОНАСС (L1/L2) и Galileo (E1/E5a), маска возвышения 7,5°, шаг оценивания 30 с. Высота антенны введена 1,476 м; поскольку калибровка антенны G4-A отсутствует, смещения фазового центра сервис принимает нулевыми или оценивает при уравнивании. Результат получен в ITRF2020/IGb20 на эпоху 2025,8; геоцентрические координаты вычислены по геодезическим на эллипсоиде GRS80.

Для планирования повторных циклов рассчитана минимально обнаружимая скорость. При k ежегодных кампаниях с равной погрешностью положения σ стандарт скорости, оценённой методом наименьших квадратов, равен:

σ _v = σ / √Σ(t _i − t̄) ² = σ · √(12 / (k(k ² − 1))), (1)

где tᵢ — эпохи кампаний, t̄ — их среднее. Скорость считается обнаруженной на уровне 95 %, если она превышает 2σᵥ. Модель предполагает некоррелированный (белый) шум; реальные ряды GNSS содержат фликкер-шум, поэтому полученные оценки являются нижней границей неопределённости [10].

Результаты

Основным принято решение CSRS-PPP: его погрешности в 5–10 раз меньше, чем у AUSPOS (табл. 1). Высота центра знака над геоидом EGM2008 составляет 931,81 м (высота геоида −43,92 м по данным AUSPOS).

Таблица 1

Координаты пункта ARU1 по двум решениям (ITRF2020, эпоха 6 ноября 2025 г.)

* Без учёта высоты антенны (0,000 м): высота относится приблизительно к фазовому центру антенны, а не к знаку.

Решение AUSPOS сопровождается предупреждением сервиса: точность выходит за допустимую границу 0,095 м, тогда как погрешности опорных станций IGS в том же решении составили 1–5 см. Доля разрешённых неоднозначностей в сети AUSPOS составила 33,2 %, но на единственной линии с пунктом (CHUM–ARU1, 181,3 км) не разрешено ни одной. CSRS-PPP также дал плавающее решение; его эллипс ошибок (95 %) имеет полуоси 20,6 и 6,6 см и вытянут по азимуту 71°, то есть приблизительно восток–запад. Для коротких сессий PPP с плавающими неоднозначностями такая форма типична: восточная компонента сходится медленнее северной. Расхождения между решениями не превышают погрешности AUSPOS, так что решения согласуются.

Разница в точности объясняется способом обработки, а не качеством измерений. AUSPOS использовал только GPS и проредил данные до 3 мин, так что за 70 мин на спутник пришлось не более 23 эпох. Кроме того, опорные станции удалены на 180–200 км, а на линии такой длины надёжно разрешить неоднозначности за 70 мин маловероятно [7; 9]. CSRS-PPP использовал три системы и шаг 30 с и не зависит от длины базовой линии. Всё же и его точность ограничена короткой сессией: за 70 мин решение PPP не успевает сойтись до сантиметрового уровня. Дополнительные источники ошибок — отсутствие калибровки антенны, частичное закрытие горизонта рельефом и многолучевость.

Обсуждение

Одна эпоха наблюдений даёт исходные координаты, но не скорость: оценить скорость смещения можно только по двум и более циклам. Поэтому результат нулевого цикла — это опорная точка будущего временного ряда, а не доказательство движения.

Второе ограничение связано с системой отсчёта. Скорость пункта в ITRF2020 включает движение Евразийской плиты — порядка нескольких сантиметров в год, что на порядок больше искомого тектонического сигнала. Для интерпретации скорости её необходимо пересчитать относительно стабильной Евразии по модели движения плит ITRF2020 [11] или относительно ближайших станций IGS.

В таблице 2 приведена минимально обнаружимая скорость (2σᵥ) при ежегодных кампаниях для трёх уровней точности одной эпохи: 3 мм (суточная сессия), 5 мм (сессия 6–8 ч) и 10 мм (сессия 1–2 ч) [7; 8].

Таблица 2

Минимально обнаружимая скорость (95 %), мм/год

Фактическая погрешность нулевого цикла даже для лучшего решения (PPP: 7–22 см) в 20–70 раз больше значений, заложенных в таблицу 2. Следовательно, достигнутая точность пригодна для привязки пункта и картографирования, но не для обнаружения тектонических смещений. Но и при состоявшемся разрешении неоднозначностей, сохраняя часовые сессии (σ ≈ 10 мм), даже пятилетний ряд не позволит выделить тектонический сигнал 2–3 мм/год. При суточных сессиях такой сигнал становится обнаружимым через 3–5 лет. Учёт фликкер-шума увеличит эти сроки [10].

На этом основании для последующих циклов рекомендуется:

1. продолжительность сессии не менее 24 ч, в идеале 2–3 суток подряд в каждой кампании;
2. принудительное центрирование, одна и та же антенна во всех циклах, обязательное указание модели антенны и измеренной высоты при обработке; повторные сессии в одно и то же время года для снижения сезонных эффектов;
3. многосистемные наблюдения (GPS + ГЛОНАСС + Galileo + BeiDou) с обработкой в программе, поддерживающей эти системы;
4. расширение сети до 3–5 пунктов по обе стороны разломной зоны с контрольным пунктом вне склона, чтобы отделить тектоническое смещение от гравитационного.

Заключение

В Медеуском районе г. Алматы заложен пункт GNSS-мониторинга ARU1, и его координаты определены в ITRF2020 на эпоху 6 ноября 2025 г. по 70-минутной многосистемной сессии. Решение PPP (CSRS-PPP, GPS + ГЛОНАСС + Galileo) дало погрешности 0,07 / 0,16 / 0,22 м (95 %) — на порядок лучше, чем относительное GPS-решение AUSPOS с опорными станциями в 180–200 км. При коротких сессиях и редкой сети опорных станций многосистемный PPP предпочтителен. Полученные координаты пригодны для привязки пункта, но для мониторинга нулевой цикл необходимо повторить суточной сессией.

Расчёт минимально обнаружимой скорости показал, что для выделения тектонического сигнала 2–3 мм/год необходимы суточные сессии и ряд длительностью 3–5 лет; при часовых сессиях эта задача не решается. Сформулированы требования к повторным циклам: продолжительность сессий, единство оборудования, многосистемные наблюдения и сгущение сети по обе стороны разломной зоны.

Литература:

1. Abdrakhmatov, K. E. Multisegment rupture in the 11 July 1889 Chilik earthquake (Mw 8.0–8.3), Kazakh Tien Shan, interpreted from remote sensing, field survey, and paleoseismic trenching / K. E. Abdrakhmatov, R. T. Walker, G. E. Campbell [et al.]. — Text: electronic // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. — 2016. — Vol. 121, No. 6. — P. 4615–4640. — DOI 10.1002/2015JB012763.
2. Grützner, C. Assessing the activity of faults in continental interiors: palaeoseismic insights from SE Kazakhstan / C. Grützner, E. Carson, R. T. Walker [et al.]. — Text: electronic // Earth and Planetary Science Letters. — 2017. — Vol. 459. — P. 93–104. — DOI 10.1016/j.epsl.2016.11.025.
3. Abdrakhmatov, K. Ye. Relatively recent construction of the Tien Shan inferred from GPS measurements of present-day crustal deformation rates / K. Ye. Abdrakhmatov, S. A. Aldazhanov, B. H. Hager [et al.]. — Text: electronic // Nature. — 1996. — Vol. 384. — P. 450–453. — DOI 10.1038/384450a0.
4. Zubovich, A. V. GPS velocity field for the Tien Shan and surrounding regions / A. V. Zubovich, X. Wang, Y. G. Scherba [et al.]. — Text: electronic // Tectonics. — 2010. — Vol. 29. — TC6014. — DOI 10.1029/2010TC002772.
5. Altamimi, Z. ITRF2020: an augmented reference frame refining the modeling of nonlinear station motions / Z. Altamimi, P. Rebischung, X. Collilieux [et al.]. — Text: electronic // Journal of Geodesy. — 2023. — Vol. 97. — Art. 47. — DOI 10.1007/s00190–023–01738-w.
6. Bernese GNSS Software Version 5.2 / R. Dach, S. Lutz, P. Walser, P. Fridez (eds.). — Bern: University of Bern, 2015. — DOI 10.7892/boris.72297. — Text: electronic.
7. Soler, T. Accuracy of OPUS solutions for 1- to 4-h observing sessions / T. Soler, P. Michalak, N. D. Weston [et al.]. — Text: electronic // GPS Solutions. — 2006. — Vol. 10. — P. 45–55. — DOI 10.1007/s10291–005–0007–3.
8. Firuzabadi, D. GPS precision as a function of session duration and reference frame using multi-point software / D. Firuzabadi, R. W. King. — Text: electronic // GPS Solutions. — 2012. — Vol. 16. — P. 191–196. — DOI 10.1007/s10291–011–0218–8.
9. Eckl, M. C. Accuracy of GPS-derived relative positions as a function of interstation distance and observing-session duration / M. C. Eckl, R. A. Snay, T. Soler [et al.]. — Text: electronic // Journal of Geodesy. — 2001. — Vol. 75. — P. 633–640. — DOI 10.1007/s001900100204.
10. Mao, A. Noise in GPS coordinate time series / A. Mao, C. G. A. Harrison, T. H. Dixon. — Text: electronic // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. — 1999. — Vol. 104, No. B2. — P. 2797–2816. — DOI 10.1029/1998JB900033.
11. Altamimi, Z. ITRF2020 plate motion model / Z. Altamimi, L. Métivier, P. Rebischung [et al.]. — Text: electronic // Geophysical Research Letters. — 2023. — Vol. 50. — e2023GL106373. — DOI 10.1029/2023GL106373.
12. Нурмагамбетов, А. Сейсмическая история Алматы / А. Нурмагамбетов. — Алматы: LEM, 1999. — 68 с. — Текст: непосредственный.
13. AUSPOS — Online GPS Processing Service. — Текст: электронный // Geoscience Australia: [сайт]. — URL: https://www.ga.gov.au/scientific-topics/positioning-navigation/geodesy/auspos
14. CSRS-PPP — Precise Point Positioning online service. Version 5.15.5. — Текст: электронный // Natural Resources Canada: [сайт]. — URL: https://webapp.csrs-scrs.nrcan-rncan.gc.ca/geod/tools-outils/ppp.php (дата обращения: 05.10.2026).
15. Zumberge, J. F. Precise point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks / J. F. Zumberge, M. B. Heflin, D. C. Jefferson [et al.]. — Text: electronic // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. — 1997. — Vol. 102, No. B3. — P. 5005–5017. — DOI 10.1029/96JB03860.