В онлайне: 1 (гостей - 1, участников - 0)  Вход | Регистрация

 
УДК

Космические исследования земной поверхности и выделение зон повышенной проницаемости


Семашко С.В., доцент, Тульский государственный университет

Рассмотрено использование космических снимков для выявления зон повышенной проницаемости

Во второй половине XX века дистанционные исследования нашей планеты достигли качественно нового, планетарного уровня. Это стало возможным благодаря размещению специализированной аппаратуры на искусственных спутниках, пилотируемых космических кораблях и орбитальных станциях. К настоящему времени созданы технологии, которые позволяют получать космические снимки в широком диапазоне частот, различного масштаба и пространственного разрешения практически для любого участка поверхности нашей планеты. Информация, получаемая при обработке этих снимков, успешно используется при геологических исследованиях земной с целью:

  • составления региональных геологических и тектонических карт;
  • оптимизации поисковых работ на различные виды полезных ископаемых;
  • проведения различных специализированных геологических, инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических исследований;
  • изучения геодинамических процессов различного генезиса.

В конце XX века были созданы среднеорбитальные спутниковые навигационные системы GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия) для высокоточных определений координат мест нахождения приземных неподвижных и подвижных объектов. Использование геодезических GPS/ГЛОНАСС приемников, позволило создать технологии по определению абсолютных и относительных вертикальных и горизонтальных смещений и деформаций исследуемых участков земной коры. Эти технологии - основа для мониторинга и количественной оценки современных деформационных процессов земной коры.

Использование космических снимков позволяет проводить исследования (с геологической точки зрения практически одновременно) на территориях, размеры которых составляют сотни и тысячи километров, что делает возможным:

  • получение генерализованных изображений исследуемых территорий и геологических структур;
  • выявление особенностей геологического строения регионального и планетарного масштаба;
  • выделение локальных, региональных и планетарных линейных структур и их пространственно-временных вариаций.

Перечисленные выше возможности, по нашему мнению, можно рассматривать как основу для мониторинга с целью определения наличия и зональности проявлений геодинамических процессов и выделения зон повышенной проницаемости на региональном уровне.

Проницаемость земной коры традиционно объясняется существованием отдельных разломов, систем и зон трещиноватости и разломов. В начале XX века при изучении территорий и геологических структур планетарного масштаба происходит выделение планетарной системы трещин и обосновывается существование линеаментов - длительно существующих, имеющих первичный характер разломов, которые предопределяют направления складок и очертаний материков и океанов [1]. Во второй половине XX века развитие аэрокосмических исследований земной коры способствует повышению достоверности выделения разломов, зон разломов, систем трещиноватости, линейных, кольцевых и дугообразных структур в региональном и планетарном масштабе. Процедура выделения перечисленных выше структур становится более наглядной, формализованной и объективной вследствие использования автоматизированных систем обработки аэрокосмических снимков. Линеаменты при этом определяют как ".. линейные, или дугообразные структурные элементы планетарного значения, связанные в начальном этапе, а иногда и в течение всей истории с глубинными разломами. … Линеаменты связаны с расколами, возникающими в условиях более или менее однотипных напряжений, которые охватывают огромные участки земной оболочки" [2]. Представления об участии разломов и трещин в формировании линеаментов присутствуют и в других определениях линеамента. Например (Горная энциклопедия, Большая советская энциклопедия), линеаменты:

  • "линейно ориентированные формы рельефа и другие элементы ландшафта, соответствующие обычно зонам повышенной трещиноватости в отложениях осадочного чехла и разломам в фундаменте";
  • "выдержанные по направлению прямолинейные элементы рельефа и ландшафта обычно связанные с трещинами и разломами в земной коре".

В начале XXI века специализированная обработка космоснимков позволила не только визуализировать линеаментную сеть планетарного масштаба, но и определить азимуты основных (главных) направлений этой сети - ортогонального (субмеридионального - 0-10o и субширотного - 80-90o ) и двух диагональных - северо-восточного (30-60o, среднее 45o) и юго-восточного (130-140o, среднее 135o) [3].

Исследования особенностей строения и природы планетарной линеаментной сети способствовали введению проницаемости земной коры в определение линеамента. В соответствии с [3] "…под линеаментами понимаются линейные структуры земной коры, выражающиеся в линейных формах рельефа поверхности суши или морского дна, линейных геологических формах, линейных аномалий физических полей Земли и имеющие прямую или косвенную связь с разрывными нарушениями и зонами повышенной проницаемости в земной коре".

Отметим, что в приведенных выше определениях линеамента как структурного элемента земной коры достаточно прямо и определенно указывается на взаимосвязь разломов, трещиноватости, напряжений и проницаемости. Наличие этой взаимосвязи определяет целесообразность использования результатов выделения и исследования линеаментов при изучении геологического строения различных по величине участков земной коры и геодинамических процессов на них протекающих.

Линеаменты и их пространственно-временные вариации, выделенные по результатам космической съемки территории штата Калифорния (США), были предметом изучения при проведении сейсмологических исследований с целью прогноза землетрясений [4]. В качестве первичного материала для этого изучения были использованы "серии оптических изображений, полученных со спутника TERRA (аппаратура MODIS, пространственное разрешение 250 м, спектральный диапазон 620-670 нм)" [4]. Выделение и анализ изменений космолинеаментов (линеаментов выделенных по результатам дешифрирования космоснимков) проводились при специализированной обработке "линейных элементов (штрих-линеаментов), которые соответствуют спрямленным участкам границ областей разной яркости". Для выделения и анализа особенностей пространственно-временного распределения линейных элементов на космических снимках достаточно часто используют специализированную программу LESSA (Lineamet Extraction and Stripes Statistic Analysis). Применение модификации этой программы при мониторинге территории штата Калифорния (США) позволило установить, "что динамика изменения систем линеаментов в период подготовки землетрясений может использоваться в качестве предвестника землетрясений" [4].

В качестве предвестников принято рассматривать аномалии различной природы, которые предшествуют землетрясениям и имеющих прямую, или косвенную взаимосвязь с изменениями очаговой зоны и вмещающими эту зону породами земной коры или мантии. Поскольку большая часть предвестников землетрясений регистрируются на земной поверхности (или вблизи неё), то они в том, или ином виде отражают взаимосвязь, или взаимодействие поверхностных и глубинных структур, эндогенных и экзогенных процессов.

Отметим, что наиболее значимые результаты изучения предвестников и проявлений эндогенных процессов на земной поверхности и их связи с экзогенными процессами и явлениями, пространственно-временными вариациями деформационных, геофизических, геохимических и гидрологических параметров были получены при исследованиях на геодинамических полигонах в России, США и Китае. Максимальная интенсивность этих исследований имела место во второй половине XX века в связи с созданием необходимой эмпирической основы для разработки среднесрочного и краткосрочного прогноза землетрясений и определении природы их предвестников.

Исследования пространственно-временных вариаций аномалий, рассматриваемых как предвестники землетрясений, позволили сделать очень важный, с нашей точки зрения, вывод, "… за всеми взаимоотношениями признаков (предвестников) между собой и со свойствами очага стоит некоторая универсальная физическая причина. Такой физической причиной, по-видимому, является наиболее универсальный процесс при подготовке землетрясений - эволюция поля микротрещин в среде под действием концентрации напряжений" [5]. Известно, что эволюция поля микротрещин (изменений раскрытия, длины и количества микротрещин, характеристик их распределения в объеме горных пород и т.п.) может быть причиной изменений пористости и проницаемости, ряда петрофизических и прочностных характеристик горных пород. Начальная стадия разрушения пород в горных выработках, природных условиях и очаговых зонах землетрясений в соответствие с рядом наиболее разработанных современных представлений о развитии процессов разрушения определяется как состояние дилатансии. При этом под дилатансией следует понимать нелинейное (неупругое) разуплотнение горных пород [6,7]. В результате экспериментальных исследований установлено, что дилатансионное разуплотнение при наличии всестороннего давления связано с развитием микротрещин под действием сдвигающих (скалывающих, касательных) напряжений, значение которых превышает предел упругости горных пород [6].

Математическое моделирование полей напряжений в упругом полупространстве при наличии в нем очаговой зоны землетрясения и принимаемых условиях начала нелинейного разуплотнения упругой среды, позволяет провести границы между состоянием упругости и состоянием дилатансии в земной коре [5]. В этой же работе были сделаны важные выводы о принципиальной возможности образования двух зон дилатансии: ".. "очаговой", в окрестности приложения силы и "пограничной" - в слое около свободной поверхности". При этом "в зависимости от параметров источника, его глубины, интенсивности и ориентации "пограничная" зона дилатансии ведет себя довольно изменчиво. Она может исчезать при увеличении глубины источника или соединяться с "очаговой" зоной". Отметим, что при проведении математического моделирования предполагались заданными: моменты сил в очаговой зоне, глубина очаговой зоны, интенсивности касательных напряжений, коэффициента внутреннего трения, сцепления и ряд других параметров. Например, при заданных в работе [5] параметрах моделирования (в том числе: глубина очаговой зоны 15 км, момент сил в источнике М = n·1020 Н) размеры "пограничной" зоны - порядка 200 км.

Результаты рассмотренного выше моделирования подтверждают принципиальную возможность взаимосвязи, или взаимодействия поверхностных и глубинных структур, проявлений эндогенных и экзогенных процессов. Это связано с тем, что образование двух областей разуплотнения (очаговой и близповерхностной) создает предпосылки для активизации процессов перераспределения флюидов и различных видов энергии (тепловой, упругой деформационной и т.п.) не только между этими областями и вмещающими их породами, но и с приповерхностной атмосферой и гидросферой.

Следовательно, пространственно-временные вариации параметров микротрещин в очаговых и приповерхностных зонах следует рассматривать как наиболее вероятную физическую основу для объяснений природы предвестников землетрясений: пространственно-временных вариаций деформационных, геофизических, геохимических и гидрологических аномалий при сейсмических процессах.

Представляется достаточно логичным предположение, что физическая природа пространственно-временных изменений предвестников землетрясений (рассмотренных в работе [5]) и изменений систем космолинеаментов (которые использовались в работе [4] в качестве предвестника землетрясений) одна и та же. Это означает, что предвестники и изменения линеаментов напрямую, или косвенно связаны с пространственно-временными вариациями параметров микротрещин в очаговых и приповерхностных зонах.

Анализ возможных физических механизмов проявления линеаментов и их изменений на космических снимках, проведенный в работе [8] приводит к следующим, наиболее значимым, с нашей точки зрения, выводам :

  • "степень видимости (различимости) линеаментов на космических изображениях и физические механизмы, ответственные за их проявления, зависят, прежде всего, от характера напряженно-деформированного состояния земной коры и связанной с ним проницаемостью земной коры, которые обуславливают "физиономичность" линеаментов, то есть выраженность в ландшафтах и физико-химических свойствах поверхности Земли за счет изменения влажности, температуры, степени окисленности, выщелоченности, выветриваемости и других свойств почво-грунтов и горных пород и растительного покрова";
  • "физическая природа линеаментов, выявленных на космических изображениях, связана с газово-флюидным режимом в ослабленных зонах полей напряжений земной коры, характеризующихся высокой проницаемостью. Жидкие растворы и газы (глубинные, близ-поверхностные, капиллярные и почвенные) изменяют температуру, влажность и газовый состав воды, почвы и приземного слоя атмосферы, что вызывает изменение их спектральных характеристик и тем самым находит свое отражение на космическом изображении в виде появления на нем линейно-полосчатой текстуре, обычно не различимой визуально, но распознаваемой компьютером".

Отметим, что ранее (Розановым Л.Н, 1982) на основании накопленного опыта дешифрирования космических снимков, сделан вывод, что "… на космоснимках отображается не статическая структура земной коры, запечатленная в ландшафте, а проявления на ней новейшей и современной динамики тектонических движений" [9]. Дальнейшее развитие этих представлений идет в направлении признания значимости проницаемости при выделении разрывных дислокаций и выявлении современных тектонических движений на основе анализа космоснимков. Н.Н.Соловьев и Амурский Г.И. (1986), отмечают, что "… на КС (космоснимках) в том или ином виде находит отражение два процесса: новейшая деформация пород, нередко развивающаяся на более древнем "структурном каркасе" и динамика насыщающих их флюидов. Причем, если первый может быть изучен и без КС обычными приемами структурно-геоморфологического анализа, то улики второго по косвенным ландшафтным признакам распознаются, в основном, при дистанционном зондировании поверхности" [9].

Изменения систем линеаментов при подготовке землетрясений отражаются (проявляются) в виде изменений регистрируемых спектральных характеристик суммарного (интегрального) излучения нашей планеты, в формировании которого принимают участие составные части земной поверхности (почвы, горные породы, почвенные растворы и флюиды), растительность и атмосфера [8]. При этом в качестве отличительных признаков изменений на космоснимках выступают:

  • локализация мест изменений спектральных характеристик на земной поверхности - системы линеаментов;
  • относительно высокая динамичность их проявлений - первые недели или месяцы.

В качестве первопричины изменений космолинеаментов на сейсмоопасных территориях в работе [8] рассматривается увеличение в почве и приземных слоях атмосферы содержания паров воды, инертных и других газов (гелия, водорода, оксидами и диоксидами азота, серы и т.д.). При этом увеличение паров воды и газов связывается с увеличением проницаемости (трещиноватости), которая и определяет увеличение тепломассопереноса между глубинными и приповерхностными частями земной коры.

Отметим, что нахождение линеамента на сейсмоопасной территории в условиях растяжения, или сдвига (в зоне дилатансии или "пограничной" зоне, рассмотренной выше) предполагает увеличение раскрытия и количества трещин и микротрещин, сообщающихся между собой и, как следствие, увеличение пористости и проницаемости горных пород. Известно, что увеличение пористости и проницаемости, которое происходит вследствие увеличения количества сообщающихся трещин (микротрещин), либо их раскрытия, сопровождается уменьшением прочностных характеристик горных пород. При этом увеличение емкостных и фильтрационных характеристик верхней части земной коры может приводить к усилению и нисходящих, и восходящих движений флюидов - в зависимости от взаимодействия не только коровых, но и мантийных флюидных систем. На сейсмоопасных территориях пространственно-временные вариации космолинеаментов в качестве первого приближения могут рассматриваться как признаки изменения флюидного режима в приповерхностной части земной коры. И при наличии "пограничной" зоны дилатансии, и при ее отсутствии, эти изменения могут быть следствием подъема глубинных флюидов (коровых или мантийных), или изменения уровня грунтовых вод под действием природных и техногенных факторов.

Следовательно, кратковременные пространственно-временные вариации распределения линейных элементов на космических снимках сейсмоопасных (динамически активных) территориях отражают особенности изменения не только зон флюидной проницаемости, но и особенности распределения зон пониженной прочности на исследуемых участках земной коры.

Библиографический список

  1. Косыгин Ю.А. Тектонофизика. М.: Недра,1988, 462 с.
  2. Геологический словарь. М: "Недра", 1978, Т 1, 487 с.
  3. Анохин В.М. Особенности строения планетарной линеаментной сети. С-П: Автореферат, 2010.
  4. Бондур В.Г., Зверев А.Т. Метод прогнозирования землетрясений на основе линеаментного анализа космических изображений. ДАН, 2005, т. 402, №1, 98-105 с.
  5. Алексеев А.С., Глинский Б.В., Ковалевский В.В., Хайретдинов М.С. Теоретические и экспериментальные основы изучения дилатансных зон вибросейсмическими методами.
    Международная конференция по математическим методам в геофизике "МММ - 2008", www.ssc.ru/Conf/mmg2008/papers/kovalevsky.doc
  6. Николаевский В.Н. Механика пористых и трещиноватых сред. М.: Недра, 1984, 232 с.
  7. Касахара К. Механика землетрясений. М. : Мир, 1985, 264 с.
  8. Бондур В.Г., Зверев А.Т. Физическая природа линеаментов, регистрируемых на космических изображения при мониторинге сейсмоопасных территорий. http: // www.ikj.rssi.ru /earth/articles 06/vol 2-177-183. pelf.
  9. Соловьев Н.Н., Амурский Г.И. Тектонодинамическая интерпретация результатов дешифрирования космических снимков нефтегазоносных районов (теоретические аспекты).// Комплексирование аэрокосмических, сейсмических, геохимических и скважинных геофизических методов при поисках и разведки нефти и газа. М.: ВНИИгеоинформсистем, 1986, 204 с.


 

Разделы конференции

  1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
  2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
  3. Комплексное использование природных ресурсов
  4. Современные вопросы геологии
  5. Физика горных пород
  6. Новые технологии в природопользовании
  7. Применение современных информационных технологий
  8. Экономические аспекты недвижимости
  9. Мониторинг использования объектов недвижимости

 

Проекту Kadastr.ORG требуются средства на хостинг и развитие

Сумма: руб.