Геолого-геоморфологические оценка и прогноз развития природных процессов на участке МКАД в районе национального парка «Лосиный остров»

Ю.И. Фивенский, МГУ им. М.В. Ломоносова

Оценка и прогнозирование характера происходящих на земной поверхности природных процессов, которые влияют на состояние и эксплуатационные показатели различного рода инженерных сооружений, требуют всестороннего детального учета обуславливающих эти процессы эндогенных и экзогенных факторов. Экономическая эффективность функционирования инженерных сооружений во многом зависит от того, насколько «безболезненно» они вписываются в географическую среду, изначально находившуюся в состоянии неустойчивого равновесия природных сил, благодаря которому и происходят эволюционные (многовековые) преобразования лика Земли.

Поэтому только взвешенное с природными силами антропогенное (в частности, техногенное) воздействие способно обеспечить сохранность природной среды и обезопасить плоды человеческого труда от трудно предсказуемых, на сегодняшний день, возможных катастрофических реакций среды на чрезмерные по величине и времени (по отношению к длительности становления и развития ландшафтов) нагрузки революционного плана.

Зоны влияния инженерных сооружений на окружающую среду (и наоборот), строго регламентируемые ведомственными нормативными документами в виде размеров отчуждаемых ими земель, далеко не в полной мере учитывают реальные инженерно-географические, в том числе инженерно-геоморфологические, характеристики местности, требующие исследований высокой детальности и значительно большего территориального охвата.

В Лаборатории аэрокосмических методов географического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова нами разработаны оригинальные (не имеющие отечественных и зарубежных аналогов) методики компьютерного структурного анализа аэрокосмических изображений и аэроструктурометрического картографирования рельефа кровли осадочных пород земной коры, в том числе зондирования мощности рыхлых отложений и степени издробленности коренного субстрата, локализующей его участки, ассоциируемые с геологическими разломами, трещинами и узловыми структурами.

Указанные методики, являясь составной частью разрабатываемого автором метода аэрокосмической структурометрии, по результатам их апробирования на хорошо обеспеченном в геологическом отношении полигоне географического факультета МГУ (Сатино, Калужской области) по данным бурения показали высокие точность (около 3-5%) и достоверность результатов.

Экономическая эффективность применения данного метода, по ряду показателей заменяющего весьма дорогостоящие работы, связанные с бурением или обследованием местности геофизическими методами, не вызывает сомнений, поскольку для его осуществления требуются всего лишь материалы аэро- или космической съемки Земли.

В данной статье характеризуются результаты апробации указанного метода применительно к решению конкретной инженерно-геоморфологической задачи. Использовался аэросъемочный материал на территорию МКАД в виде цифрового фотоплана с разрешением на местности 2 м/пкс.

Для эксперимента был выбран участок МКАД, проходящий по территории национального парка «Лосиный остров», в наименьшей степени нарушенной антропогенным воздействием. Отметим, что в условиях подобных заповедных территорий изыскательские работы должны проводиться экологически чистыми приемами. Обследованная территория площадью 16 км² представлена 4-мя цветными цифровыми изображениями. Аэросъемка произведена 26-28 июля 1996 г. в масштабе 1:15000.

Использовалась следующая технологическая схема аэроструктурометрического анализа изображений:

  • оценка метрического качества и тематического содержания исходного изобразительного цифрового материала;
  • выбор рациональных стратегии и технологии структурной обработки изображений;
  • построение цифровой модели, характеризующей литогенное «качество» местности;
  • оценка точности и достоверности геолого-геоморфологических построений.

Оценка качества исходного изобразительного материала

На исследуемую территорию имелись два компьютерно сшитых цветных аэрофотоснимка, фотометрическое качество которых существенно различно. Это обусловлено неодинаковостью условий съемки (разные высота Солнца, задымленность атмосферы) и фотохимической обработки ее материалов.

Такой вывод подтверждается разложением цветных изображений на RGB-составляющие, при котором дополнительно выясняется, что единственным информативным слоем является "зеленый" слой, так как "красный" – исключительно переконтрастирован, а контраст "синего" практически равен нулю.

Подобная ситуация обычно возникает при существенной разбалансировке сенситометрических характеристик светочувствительных слоев обычных цветных фотографических аэрофотоматериалов, либо при использовании материалов спектрозональной съемки, либо при некорректном цифровании исходного аэросъемочного материала.

Рис. 1. Исследуемый участок МКАД Поэтому для структурометрической обработки нами был выбран лишь "зеленый" слой "псевдоцветных" изображений, представленный на рис. 1.

Анализируемая территория относится к лесопарковому защитному поясу Московской агломерации. Она расположена в пределах бассейново-речной литосистемы р. Яуза и захватывает ее верховья с южными притоками, пересекающими МКАД.

Участок представляет собой слабо всхолмленную заболоченную равнину с перепадом высот дневной поверхности около 20-25 м. Он характеризуется довольно мощным (несколько десятков метров) чехлом рыхлых отложений преимущественно флювиогляциального происхождения с нижним региональным водоупором в виде юрских глин.

Исследуемая территория на момент съемки (1996 г.), находясь по ряду причин испытала относительно малое (если не наименьшее), в условиях Московской агломерации, техногенное воздействие. Именно потому она и была выбрана в качестве эталона изначально сформированных природой условий течения процессов энергомассообмена в экосистеме.

На этом естественном фоне даже относительно малое техногенное вмешательство должно вызывать довольно значительные, регистрируемые современными методами изменения свойств геосистемы, в том числе наиболее краткосрочного плана (годы, десятилетия).

Стратегия и технология структурной обработки изображений

В отличие от сообщенной нами ранее [1] версии аэроструктурометрического картографирования рельефа погребенных коренных пород предъявленный материал является более, чем скупым, по объему. Использовались только фрагменты цифрового фотоплана при отсутствии данных по геологическим скважинам и сведений о топографии дневной поверхности в масштабе 1:10000-1:20000. Все это существенно усложнило решение поставленной задачи в традиционном понимании условий информационного обеспечения.

Поэтому было принято решение трансформировать цель задачи, в первую очередь, на выявление очагов разрушения коренного субстрата, вызываемых тектоническими процессами и усугубляемых действием экзогенных факторов. Такие аномалии повышенной проницаемости земной коры (дробления коренного субстрата) проецируются на дневную поверхность и проявляются в неоднородности структуры изображения ее почвенно-растительного покрова даже ниже фациального уровня.

Фрагменты цифрового фотоплана, предварительно загрубленные до разрешения на местности в 4 м/пкс и имеющие взаимное перекрытие 24 пкс (96 м), обрабатывались раздельно по идентичной методике с применением оригинальных программ структурного анализа изображения.

Рис 2. Очаги дробления коренного субстрата Анализ проводился по четверкам компактно соседствующих пикселов (скользящее окно 2х2 пкс) с регистрацией частных значений мощности рыхлых отложений в каждом из них и вычислением среднего значения.

За (площадь на местности 64 м²) принимались окна, максимальное отклонение значений мощности в которых от арифметического среднего не превышало ±10%, т.е. обеспечивалась формальная погрешность определений мощности рыхлых отложений в ±5%. При таком значении критерия отбраковки измерений на территории площадью 16 км² выявлены 2325 очагов повышенной проницаемости земной коры, представленные на рис. 2.

Построение цифровой модели, характеризующей литогенное «качество» местности

Рис 3. Мощность рыхлых отложений По измеренным значениям мощности рыхлых отложений в очагах дробления коренного субстрата с помощью коммерческого пакета SURFER была построена первая версия цифровой модели на территорию МКАД в районе лесопарка «Лосиный остров», представленная на рис. 3.

Первая версия – это всего лишь первое приближение итерационно решаемой задачи. Привлечение указанных нами ранее дополнительных сведений о местности может существенно сократить число итераций для достижения формальной точности определений. Однако даже первое приближение оказывается вполне эффективным для инженерных геолого-геоморфологических выводов.

Оценка точности и достоверности геолого-геоморфологических построений

Анализ содержания карты пространственного распределения очагов дробления коренного субстрата (рис. 2) позволяет сделать несколько существенных для проведения геолого-геоморфологического анализа выводов.

Очаги можно разделить на «одиночные» и «групповые», составляемые несколькими смыкающимися друг с другом одиночными очагами. Имеются и промежуточные варианты пространственного распределения очагов, а именно: сообщества одиночных очагов линейного либо ареального типов.

Линейные сообщества (линеаменты) ассоциируются с геологическими трещинами, а ареальные – с узловыми геологическими структурами (узлами), представляющими собой области взаимного пересечения трещин разного азимутального заложения.

Особенно хорошо это проявляется на обнаруженных нами групповых очагах, по форме которых можно судить о степени активности линеаментов, образующих геологический узел. В частности видно, что на данной территории наиболее активны процессы дробления коренного субстрата в субмеридианальном и субширотном направлениях. Второе по значимости место занимают прямоугольные сетки трещин диагонального направления с азимутом около 45°.

Полученный результат не противоречит известному в геологии [2] положению: азимутальный шаг заложения крупнейших разломов земной коры континентального типа составляет 15°. Однако для данной территории характерно присутствие трещиноватости с более дробным азимутальным шагом: 5° и даже 2,5°.

Интересно, что проведенная нами ранее по несколько отличающейся методике структурная обработка материалов аэрофотосъемки на расположенную в 6 км юго-западнее территорию Московской окружной железной дороги (МОЖД) в районе станции Белокаменная выявила всего лишь 15°-ный азимутальный шаг с таким же преобладанием активности линеаментов субмеридианального и субширотного заложений.

По нашему опыту, такое закономерное уменьшение значения азимутального шага линеаментов наблюдается при приближении к геологическим узлам, образованным разломами высокого ранга (2—0). В зоне действия такого узла, по-видимому, и проходит данный участок МКАД, о чем свидетельствует существенная заболоченность прилегающей к нему территории.

Чем выше ранг узла, тем более глубинные этажи земной коры способны влиять на формирование особенностей современной географической среды. По этим вертикальным столбам повышенных нарушений сплошности (проницаемости) земной коры к дневной поверхности доставляются различного рода глубинные растворы и эманации (например, газы гелий и радон), небезвредные для человеческого организма.

С другой стороны, узловые структуры, представляя собой, как правило, депрессивные образования, в результате инфильтрации поверхностных вод аккумулируют и транспортируют вглубь Земли смываемые ими антропогенные загрязнители природной среды.

Производительность такого массобмена каждого геологического узла строго определена природой. Но пороговые значения силы внешних воздействий на эти «поры Земли» наукой совершенно не установлены и потому в этом направлении необходимы дальнейшие исследования.

Экспресс-карта мощности рыхлых отложений (рис. 3) позволяет, в первом приближении, составить представление о ряде существенных особенностей древнего рельефа местности на уровне коренного субстрата. Понятие «древний рельеф» в известной мере условно, поскольку реально мы имеем дело с современным его состоянием.

В первую очередь, проявились хорошо выраженные деталями древнего мезорельефа линеаменты, демонстрирующие блочную нарезку земной коры. Особенно четко выделяется блок прямоугольной формы с вершиной северо-западного угла в районе пионерского лагеря (геологический узел).

Блок ограничен двумя разломами, пересекающими МКАД под углами 30° и 60°. По разломам заложены долины предполагаемых древних водотоков шириной около 200 м и глубиной 25-30 м, по тальвегам которых располагаются бессточные карстовые котловины (темные пятна на рис. 3). Характерны для данной территории и останцы (на рис. 3 – это светлые пятна).

Точно такие же линеаменты и формы рельефа (однако меньшей глубины: 10-15 м) были обнаружены нами ранее в окрестностях станции Белокаменная МОЖД.

Рисунок сети предполагаемых древних водотоков в целом подобен рисунку современных водотоков, но смещен относительно него на восток-северо-восток в среднем на 300 м. Это обстоятельство согласуется с известным принципом наследования современным рельефом древних погребенных форм.

Выявленные нами, по результатам аэроструктуро-метрического зондирования поверхности коренных известняковых пород, особенности облика погребенного денудационного рельефа не противоречат имеющимся геолого-геоморфологическим представлениям. Они служат доказательством достоверности полученных карт и возможности объективного прогнозирования по ним течения ряда природных процессов, в том числе процессов, спровоцированных человеком.

В целом рассматриваемый участок МКАД, пересекающий территорию национального парка «Лосиный остров», в отношении условий эксплуатации его инженерных сооружений, по нашему мнению, нельзя отнести к разряду благополучных.

Главную опасность представляют суффозионные просадки грунтов и вероятные проявления карста. На рабочие свойства полотна автострады могут оказывать влияние и происходящие по трещинам в земной коре тектонические подвижки ее блоков.

Как видно из рис. 3, МКАД пересекают несколько трещин субмеридианально - субширотного и диагонального заложений, движения блоков по которым накладывают разнородные напряжения на полотно автострады, приводя к его деформации.

В частности, субмеридиальные трещины имеют тенденцию к расширению, т.е. к раздвигу разделяемых ими блоков в долготном направлении. Следовательно, в этих местах полотно автострады испытывает постоянные продольные напряжения разрывного характера. По диагональным трещинам происходят сдвиговые смещения блоков, создающие поперечные полотну МКАД нагрузки.

В этой связи наиболее динамичными в геолого-геоморфологическом (рельефообразующем) отношении нам представляются два участка МКАД:

1) отрезок длиной 2 км с серединой на поперечнике в створе пионерлагеря;

2) отрезок длиной 0,5 км, расположенный в зоне действия геологического узла на юге территории.

Эти участки требуют повышенного внимания проектировщиков при реконструкции МКАД и инженерных служб автострады в процессе ее эксплуатации.

Другой неблагоприятный фактор связан с довольно большим количеством геологических узлов, что не исключает возможности локальных превышений значений ПДК вредных для здоровья человека газовыделений из недр Земли, в частности, газа радона.

Обращает на себя внимание факт совершенно неудачного, по нашему мнению, выбора места расположения пионерского лагеря в зоне действия достаточно мощного геологического узла! Это обстоятельство требует обязательного эманационного обследования местности.

Во всяком случае, результаты эманационной съемки позволят внести коррективы в сделанный нами прогноз по обоим факторам, носящий вероятностный характер, и объективно паспортизовать экологическое состояние территории, прилегающей к трассе МКАД в районе национального парка «Лосиный остров».

Экологический вестник, N1. — М., 1998.

Публикуется с разрешения автора.


Литература

1. Фивенский Ю.И., Антонов С.И. Крупномасштабное картирование погребенной поверхности коренных пород по данным аэрофотоснимков // Проблемы специализированного геоморфологического картографирования. Материалы межгосударственного совещания XXIII пленума геоморфологической комиссии РАН, Волгоград 7-11 октября 1996 г. — Волгоград: Перемена, 1996. С. 46-48.

2. Муди Дж., Хилл М.Дж. Сдвиговая тектоника // Вопросы современной зарубежной тектоники. — М.: Изд-во иностранной литературы, 1960. С. 265-333.

blog comments powered by Disqus