Новые методы и технологии системно- геодинамического изучения Московского региона

Для решения проблемных вопросов многих отраслей народного хозяйства Московской области разработан и применен [1] метод геодинами-ческого районирования. Этот метод позволяет не только выявить и объяснить геодинамические процессы, но и следить за их развитием во времени и в пространстве, прогнозировать опасные процессы на любой стадии их развития и на любом участке земной поверхности. Оперативность и экономическая эффективность метода позволяет своевременно получить представительную информацию для безопасного освоения природных ресурсов.

В результате геодинамического районирования территории Московской выявлены активные разломы, дана их характеристика, проведен анализ хозяйственной деятельности в пределах южного водозабора, территории радиоактивного захоронения, скоростной железнодорожной магистрали, установлены зоны риска для ряда хозяйственных объектов, что позволяет принять необходимые профилактические меры.

Достижения научно-технического прогресса в области авиа- и космической техники, электроники, геоинформатики способствовали появлению новых методов и технологий информационно-измерительных и информационно-аналитических работ, обеспечивающих получение ране неизвестной информации о современной (голоценовой) геодинамике Московского региона.

В последние годы разработаны и успешно применены в платформенных регионах новые методы и технологии специализированного космического зондирования в радиолокационном и инфракрасном диапазонах спектра, инновационные технологии предварительной и тематической обработки радиолокационных комических изображений, в том числе технологии построения цифровых моделей основных поверхностей выравнива- ния, создание карт оттененного рельефа, карт остаточного рельефа, карт уклонов. Бурное развитие получили интерферометрические построение по радиолокационным космическим изображениям.

В составе новых информационно-аналитических технологий созданы и успешно опробованы технологии системно-геодинамического дешифрирования специализированных материалов космического зондирования, системно-геодинамической интерпретации цифровых моделей поверхностей выравнивания, карт оттененного и остаточного рельефа, карт уклонов, интерферограмм. Развиваются и приобретают все большее значение технологии совместной интерпретации системно-геодинамической и геологогеофизической информации для создания тематических 3Д- и 4Д-моделей в составе сопряженных баз данных.

Применение новых методов технологий геодинамических исследований становится особенно актуально в условиях глобальных изменений окружающей среды.

Инновационные технологии получения космической информации

За последние годы отчетливо проявились два направления совершенствования информационно-измерительных технологий космического зондирования: возрастание точности и детальности многозонального космического зондирования в оптическом диапазоне и расширение сферы применения космических радиолокационных и инфракрасных съемок.

Многозональные космические съемки в оптическом диапазоне выполняются в обзорно-региональном (с геометрическим расширением 1001000 м), региональном (30-100 м), детальном (15-3 0 м) и детализированном (менее 5 м) масштабах. Совершенствуются технологии предварительной и тематической обработки исходной информации для создания мозаичных фотокарт, фотооснов, ортофотопланов. Опыт получения и системно-геодинамического дешифрирования космических изображений, полученных датчиками в оптическом диапазоне обобщен в работах [3, 4, 7].

Космические съемки в радиолокационных и инфракрасных диапазонах характеризуются бурным развитием. Их объемы резко возросли, что объясняется всепогодностью, независимостью от освещенности и высокой разрешающей способностью получаемой информации.

Основные характеристики радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) и их носителей приведены в табл.1.

Высокий уровень надежности систем с РСА работа которых не зависит от погодно-климатических условий, от условий освещенности, от времени суток, от состояния растительного покрова в регионах с большой сельскохозяйственной ответственностью освоенностью природных ландшафтов, делает радиолокаторы идеальным средством для изучения рельефа, цифровых моделей, составления цифровых моделей поверхностей вы- равнивания и системно-геодинамической интерпретации полученных материалов.

Таблица 1. Основные характеристики радиолокаторов с синтезированной апертурой и их носителей.

Диапазон	Частота, ГГц	Длина волны, см	Космический аппарат	Страна	Разрешение, м	Повторяемость съемки, сутки
Х	5.2-10.9	2.4-3.3	Terra, SAR-X Tan DEM-X Cosmo SkyMed	Германия Германия Италия	1-16 3 1-100	2,5-11 3 0,5
С	3,9-6,2	3,8-9,6	Алмаз-1 ERS-1.2 RADARSAT-1.2	CCCP Евросоюз Евросоюз Канада	10-15 20 30-100 3-100	3-5 1-30 2,5 1-3
L	0,4-1,6	15-30	ALOS SIR-A, -B	Япония	7-100	2
P	0,2-0,4	30-100	AIRSAR

В июне 2010 г. запущен радарный спутник TanDEM-X, совершающий орбитальный полет совместно с практически идентичным TerraSar-X на расстоянии нескольких сотен метров друг от друга [8]. Эти спутники синхронно записывают информацию в режиме StripMAP c наземным разрешением 3 м с целью сбора данных для построения глобальной цифровой модели рельефа на основе интерферометрических методов. По имеющимся оценкам [8] ее относительная вертикальная точность составит 2 м, то есть точность и представительность отображения рельефа будут превосходить любые космические модели и будет достигнут уровень точности модели рельефа, поучаемых с помощью аэрофотосъемки. Компания Immfoterra (поставщик геонформационных сервисов из Германии) в мае 2010 г выпустила инновационный продукт TerraStar-X ELEVATION Product Suite – глобальную цифровую модель поверхности, отображаемой с шагом сетки 10 м и с точностью 5 м по высоте. Этот новый продукт основан на инновационном подходе к обработке данных с помощью радарометрических методов.

Использование стереопар TerraStar-X stripmap ( с наземным разрешением 3 м), полученных на восходящих и нисходящих участках витков, минимизирует недоступные зоны, возникающие вследствие геометрии бокового обзора систем РСА.

Новые технологии оперативного комбинирования датчиков низкого и среднего пространственного разрешения, работающих в различных диапазонах электромагнитного спектра, должны стать основой для перспек- тивных сервисов изучения и мониторинга глобальных изменений окружающей среды.

Основой системно-геодинамических исследований являются точные данные о рельефе. Распространение радиосигналов радиолокатора синтезированной апертурой и орбитальное положение ИСЗ могут измеряться с большой точностью, что обеспечивает построение цифровых моделей рельефа с высокой точностью.

Новые технологии обработки и геодинамической интерпретации космической информации

В практике геодинамического изучения платформенных регионов широкое распространение получили системно-геодинамическое дешифрирование специализированных материалов космического зондирования, построения, тематической обработки и интерпретации цифровых моделей основных поверхностей выравнивания, карт оттененного рельефа, остаточных высот, уклонов.

Теоретическими основами системно-геодинамических исследований материалов дистанционного зондирования служат представления о преобладающем влиянии системы физических полей Земли и околоземного пространства на становлении и формировании природных и техногенноприродных ландшафтов [3, 4]. Методологической основой геодинамиче-ских исследований служит системный анализ [3, 4].

Системно-геодинамическое 3Д-моделирование природных объектов выполняется в результате совместной интерпретации специализированных материалов дистанционного зондирования, цифровых моделей, основных поверхностей выравнивания, сейсмо-грави-магниторазведочной, промыслово-геофизической, флюидодинамической информации. Для составления 4Д-моделей природного объекта необходимо дополнительно выполнить космобиоритмические исследования, а также интерферометрические построения с использованием разновременных радиолокационных изображений [2]. Системно-геодинамическое изучение платформенных регионов начато в 70-х годах ХХ века [4]. Широкомасштабное производственное применение аэрокосмических методов предопределило необходимость проведения системно-геодинамических исследований в пределах всех платформенных регионов. Сопоставительный анализ результатов многолетних исследований и последующих геолого-геофизических работ позволили оценить эффективность технологий системно-геодинамического моделирования в различных регионах.

Наиболее представительные оценки результативности системно-геодинамических работ получены в Западно-Сибирском, Тимано-Печорском, Волго-Уральском, Прикаспийском регионах.

В пределах изучения территорий выявлены ранее неизвестные особенности современных геодинамических и флюидодинамических процес- сов [2]. Установлено диагонально-решедчато-блоковое распределение геодинамически активных структур. Разноранговые зоны флексурноразрывных нарушений диагонально распределены: их преимущественные простирания - северо-восточное и северо-западное. Зоны нарушений 2 ранга характеризуются шириной 27-32 км, 3 ранга - шириной 9-11 км. Зоны нарушений 4 и 5 рангов при ширине 1,5-2,5 км и 0,5-0,8 км прослеживаются локальными отрезками в пределах крупных геодинамичсеких поднятий. Локальные флексурно-разрывные нарушения широко распространены на сводах геодинамических системных складок. Диагональные зоны нарушений разделяют ромбовидные в плане и различные по размерам блоки. Геодинамические узлы (узлы пересечений разнонаправленных зон нарушений) имеют различные размеры контролируемые рангом образующих их зон нарушений. Геодинамически активные антиклинали, брахиантикли-нали, гемиантиклинали располагаются над зонами нарушений, а куполовидные поднятия - над геодинамическими узлами. Достаточно широким распространением пользуются горставидные поднятия и грабенообразные прогибы.

Системно-геодинамическое моделирование существенно увеличивает представительность и детальность информации о строении месторождений нефти и газа и о современных (голоценовых) процессах, преобразующих структурные, геолого-литологические и флюидодинамические характеристики входящих в его состав залежей.

Представительная информация о современной геодинамике месторождения позволило наметить новые направления нефтепоисковых работ:

• -    опережающее опоискование геодинамических узлов 2 и 3 рангов с целью выявления крупных многопластовых месторождений, изучение и картирование нефтегазоподводящих каналов;

• -    опоискование поперечных зон геодинамически активных поднятий;

• -    детальное картирование и опоискование переклиналий и стрктур-ных осложнений склонов крупных поднятий, экранированных геодинамически активными нарушениями.

Системно-геодинамическое моделирование разрабатываемых месторождений позволяет также выделить новые локальные объекты. Многолетний опыт системно-геодинамических исследований свидетельствует, что подтверждаемость геодинамически активных локальных структурных форм достигает 70-80%.

Сситемно-геодинамическое моделирование незаменимо при решении вопросов безопасного освоения природных ресурсов. Многолетний опыт свидетельствует, что 70-75% горно-экологических нарушений и чрезвычайных ситуаций приурочено к геодинамическим зонам нарушений. Создание системно-геодинамических моделей при составлении и корректировке проектов обустройства территорий, их применения при строительстве и эксплуатации объектов инфраструктуры позволяет существенно

(на 50-60%) уменьшить количество горно-экологических нарушений и чрезвычайных ситуаций.

Системно-геодинамические моделирования должны стать обязательной составной частью программ сопряженного горно-экологичсекого мониторинга, декларации безопасности и планов мероприятий по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. Особую актуальность применению 3Д- и 4Д-моделей приобретают при изучении и мониторинге изменений окружающей среды.

Использование новейших технологий цифрового моделирования основных поверхностей выравнивания и дифференциальной и интерферометрии в составе системно организованного инновационного пакета сопряженных (подземно-наземно-аэрокосмических) исследований модернизирует весь процесс изучения и безопасного освоения платформенных регионов. Наиболее эффективно новые технологии примененимы при зонировании осваиваемых территорий для целей районной планировки, при планировании и выполнении проетно-изыскательных работ, при строительстве и эксплуатации линейных коммуникаций (трубопроводов, железных и автомобильных дорог, ЛЭП и др.), при проектировании и создании объектов промышленного и гражданского строительства. Весьма актуально применение указанных технологий для изучения и мониторинга опасных геодинамических, флюидодинамичсеких, физико-геологических и космобиоритмических процессов в условиях глобальных изменений окружающей среды.

Опытно-производственные и экспериментальные работы с применением технологий цифрового моделирования рельефа и дифференциальной интерферометрии выполнены [5] в Волго-Уральском, Западно-Сибирском, Прикаспийском регионах. Полученные, ранее неизвестные сведения о распределении разноранговых зон геодинамически активных нарушений и геодинамических узлов (участков пересечений разнонаправленных зон нарушений). Установлено, что в голоцене постоянно работающий механизм твердотельных приливов контролирует поступательно-возвратные движения блоков горных пород как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. В зонах геодинамически активных нарушений и, особенно, в геодинамических узлах горные породы фундамента и всего разреза осадочного чехла дезинтегрируются, становятся менее связанными, более трещиноватыми, кавернозными и пористыми. Механизм твердотельных приливов постоянно обновляет эти свойства горных пород в зонах нарушений и геодинамических узлах.

Тематическая обработка и интерпретация результатов, специализированных материалов космического зондирования, полученных в радиолокационном и инфракрасном диапазонах, и геолого-геофизической информации позволили выполнить качественно новой зонирование изученных территорий по степени геодинамической опасности и составить комплекты сопряженных 3Д-моделей в качестве новых баз данных [5].

Сопряженные базы данных нашли широкое применение при прогнозе, обнаружении, мониторинге и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. Сопоставительный анализ системно-геодинамических работ с распределением аварий на магистральных газопроводах выявил приуроченность 70-75% аварий к геодинамическим узлами зонам нарушений. 6570% аварий в шахтах также контролируются зонами геодинамически активных нарушений.

Сопряженные базы данных позволяют также построить 4Д-модели изучаемых территорий. При том новые технологии используются для выяснения возраста опасных геодиамических процессов. Результаты интерферометрических построений используются для оперативного (от 2-3 лет до 2-3 недель) прогноза, системно-геодинамического дешифрирования материалов космического зондирования - для среднесрочного (от 5-6 до 2224 лет) прогнозирования, а физико-геологическая интерпретация основания поверхности выравнивания - для долгосрочного (30-90 лет) прогноза опасных геодинамических и физико-геологических процессов [5].

Постоянно действующие сопряженные базы данных должны стать информационной основой для изучение и прогнозирования глобальных изменений окружающей среды, разработки и корректировки деклараций безопасности и планов ликвидаций последствий чрезвычайных ситуаций.

Результаты системно-геодинамического изучения эталонных участков Московского региона

Анализ и общение опыта исследований в других регионах, а также участие в работах по системно-геодинамическому изучению ВолгоУральского региона послужили для автора обоснованием для организации и проведения системно-геодинамического изучения Московского региона.

Автором получены и проанализированы сведения об изученности региона космическими съемками в радиолокационном, инфракрасном и оптическом диапазонах, выполнены оценки информативности имеющихся снимков, предварительная и тематическая обработка наиболее информативных изображений, их системно-геодинамическое дешифрирование и сопоставительный анализ полученных результатов.

Системно-геодинамическое дешифрирование космических изображений в региональных (1:500000-1:20000) и детальных (1:100000-1:50000) масштабах в пределах московского региона выполнены автором по методическим рекомендациям, изложенным в монографиях [3, 4] и многочисленных публикациях [6, 7, 8].

Системно-геодинамические исследования выполнены в три последовательные стадии: максимально детальное изучение эталонных участков; региональное системно-геодинамическое дешифрирование; детальное сис-темно-геодинамическое дешифрирование.

Физико-геологические, геодинамические, почвенно-гоеботанические и погодно-климатические особенности объектов дешифрирования предопределили необходимость уточнений и дополнений к ранее разработанным методам и технологиям.

Высокая степень сельскохозяйственной и лесохозяйственной освоенности Московского региона, зарегулированность стока малых рек и ручьев, густая сеть линейных коммуникаций (авто и железных дорог, ЛЭП, магистральных трубопроводов) и населенных пунктов обусловили техногенную нарушенность природных ландшафтов и, соответственно, усложнили выявление, ранжирование и корректирование систем ландшафтных индикаторов современных геодинамических процессов.

Для преодоления указанных трудностей были проанализированы и отдешефрированны разновременные, разнодиапазонные и разномасштабные космические фотографические и сканерные изображения. Наиболее информативным для системно-геодинамических целей оказались космические фотоснимки, полученные с ИСЗ «Ресурс-Д1» в 70-х годах ХХ века в ближней ИК-область спектра, сканерные космические изображения, полученные с ИСЗ «Landsat-5-7» в 80-90-х годах ХХ века, и радиолокационные изображения, полученные с ИСЗ «ALOS» радиолокатором L-диапазона в 2006-2010 гг.

Высокая техногенная нарушенность природных ландшафтов предопределила необходимость построения цифровых моделей рельефа по радиолокационным космическим изображениям, предварительная и тематическая обработка цифровых моделей рельефов в пределах основных поверхностей выравнивания существенно расширили информативность материалов космического зондирования. Для построения цифровых моделей рельефа использованы новые технологии обработки радиолокационных космических изображений. Последовательность реализации этих технологий представлены на рис. 1.

В Волго-Уральском, Прикаспийском, Западно и ВосточноСибирском регионах получены [5] положительные результаты применения интерферометрических построений по радиолокационным космическим изображениям. Состав работ и последовательность интероферометриче-ских построений по радиолокационным космическим изображеиям представлены на рис. 1. Технологии дифференциальной интерферометрии рекомендуются к опытно-производственному применению в пределах Московского региона.

Космические изображения, полученные в RL диапазоне

Рис. 1 Состав работ и последовательность их выполнения при создании цифровой модели рельефа и карты деформаций по радиолокационным космическим изображениям.

Рис. 2. Московский регион. Эталонный участок Московский. Карта результатов системно-геодинамического дешифрирования фрагмента космического фотоснимка, полученного 18.06.1986 г. с ИСЗ «Ресурс-Ф1» камерой КФА-200 в ближней инфракрасной зоне спектра.

1-5 – структурные линии, выраженные в строении ландшафта и сопоставленные с активными зонами флексурно-разрывных нарушений третьего (1), четвертого (2), пятого (3) рангов с локальными нарушениями (4), с эллипсовидными аномалиями (5) компонентов ландшафта.

В результате системно-геодинамического изучения эталонных участков Московского региона выявлены диагонально-решедчато-блоковые распределения современных (голоценовых) геодинамических процессов

(рис. 4). Разноранговые диагонально распределенные (преимущественные простирания - северо-западное и северо-восточное) зоны геодинамически активных флексурно-разрывных нарушений расчленяют изученные территории на ромбовидные и различные по размерам блоки. В плане зоны нарушений пологы извилистые, что свидетельствует о наличие не только вертикальных, но и горизонтальных смещений блоков по этим зонам.

В пределах изученных территорий выявлены зоны нарушений условно 3, 4, 5 рангов, а также локальные флексурно-разрывные нарушения (рис. 2). Зоны 3 ранга характеризуются шиной 8-11 км, прослеживается трансрегионально с небольшими изменениями ширины, разграничивают блоки с размерами 24х30 км. Зоны 4 ранга при ширине 2,5-4 км прослеживаются отдельными отрезками, разделяют блоки с размерами 8х10 км. Зоны 5 ранга шириной 0,5-1,5 км выявлены только в пределах геодинамиче-ских поднятий.

Геодинамические узлы (узлы пересечений разнонаправленных зон нарушений), как правило, хорошо выражены в ландшафте и с достаточной достоверностью отображаются на космических изображениях, полученных в радиолокационном и инфракрасном диапазонах, а также на цифровых моделях основных поверхностей выравнивания. В пределах ряда геодина-мических узлов 3 и 4 рангов (рис. 2) выявлены эллипсовидные (иногда кольцевые) в плане аномалий компонентов ландшафта, сопоставляемые, по аналогии с другими регионами Восточно-Европейской платформы, с субвертикальными зонами-трубками геодинамических полей. Указанные зоны-трубки характеризуются вихреобразной структурой геофизических полей, контролирующей эллипсовидное распределение флюидо-потоков. Системно-геодинамическая интерпретация эллипсовидных аномалий в Московском регионе пока не подтверждена соответствующим геологогеофизическим материалом и выделены они на эталонных участках (рис. 4) предположительно. Задача последующих исследований - детальное комплексное изучение и картирование указанных аномалий в качестве объектов с максимальной степенью горно-экологической опасностью. Типичный пример такого объекта - аварийная Чернобыльская АЭС.

Новые представления о современной (голоценовой) геодинамике Московского региона также нуждается в тщательной проверке путем переинтерпретации существующей геолого-геофизической информации и постановки специальных полевых исследований.

Выводы и рекомендации

Системно-гоединмическо изучение эталонных участков с помощью новых методов и технологий выявило ранее неизвестные сведения о современной геодинамике Московского региона. Намечены диагонально-решедчато-блоковый рисунок голоценовых геодинамических процессов.

Разноранговые зоны геодинамически активных флексурно-разрывных нарушений расчленяют изученные территории на ромбовидные в плане блоки. Выявлены зоны нарушений 3, 4, 5 рангов. В геодинамических узлах 3 и 4 рангов намечены эллипсовидные аномалии компонентов ландшафта, предположительно сопоставляемые с выходами на дневную поверхность субвертикальных зон-трубок с вихревой структурой геофизических полей.

Сопоставительный анализ распределения чрезвычайных ситуаций с элементами системно-геодинамического районирования ВосточноЕвропейской платформы свидетельствуют, что 70-90% чрезвычайных ситуаций контролируются геодинмическими узлами и зонами геодинамически активных нарушений.

С учетом расширения г. Москвы за счет южных регионов Московской области и в условиях глобальных изменений окружающей среды рекомендуется:

• -    выполнить инвентаризацию природных ресурсов и техногенных объектов Московского региона на основе сопряженной обработки систем-но-геодинамической и геолого-геофизической информации с составлением новых сопряженных баз данных;

• -    разработать и реализовать региональную, территориальные и пообъектные программы сопряженного (подземно-наземноаэрокосмического) горно-экологического мониторинга.