Гидрогеологическое и инженерно-геологическое дешифрирование

При инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях аэрометоды применяются на всех крупных объектах, где природные условия района и характер проектного задания благоприятны для их применения. Сюда относятся железнодорожные и шоссейные изыскания на всех их стадиях, при изучении водохранилищ, постройке плотин, спрямлению русел рек, проектированию портов, а также весь комплекс изысканий, связанных с осушением или обводнением земель.

Ценность применения космической информации в гидрогеологических исследованиях заключается в том, что обработка МДЗ помогает исследователю устанавливать местоположение структурных (пликативных и дизъюнктивных) форм, которые могут влиять на динамику подземных вод.

При гидрогеологических исследованиях материалы космических съемок могут найти применение при решении следующих задач: изучении региональных закономерностей распространения подземных вод; мелко- и среднемасштабном гидрогеологическим картировании и районировании; исследовании условий формирования поверхностного и подземного стока и оценке взаимосвязи поверхностных и подземных вод.

В настоящее время КС широко используется как при общих, так и детальных поисках подземных вод речных долин, песчаных массивов, обводненных зон разрывных нарушений и повышенной трещиноватости горных пород, конусов выноса и областей развития карста.

Дешифрирование МДЗ является обязательным элементом детальных поисковых работ, так как получаемая в результате дешифрирования информация повышает общую информативность гидрогеологических карт, используемых при поиске, позволяет связать точечные и профильные наземные наблюдения в единую картину гидрогеологических условий территорий и более эффективно планировать проведение наземных работ.

В решении этих задач особенно важную роль играет предполевое дешифрирование МДЗ, позволяющее рационально разместить на изучаемой территории ключевые участки и региональные профили.

Гидроиндикация неглубоко залегающих подземных вод, активно влияющих на формирование свойств физиономических компонентов ландшафта, определяется чаще всего глубиной проникновения корневой системы растений-гидроиндикаторов. Дешифрирование здесь будет основываться на относительно хорошо разработанных системах геоботанических, геоморфологических и комплексных ландшафтных индикаторов. Например: в засушливых районах заросли джанатака, тамариска, саксаула, тростника и др. растений локализованы над залежами пресных или солоноватых вод, залегающих на глубине 1,5-10 м.

Гидроиндикация подземных вод, располагающихся ниже границы корневых систем и практически не влияющих на растительность и рельеф территории, основана на оценке инфильтрации атмосферных осадков, влияющих на минерализацию и водный баланс подземных вод. Такая оценка производится за счет выявления отрицательных форм рельефа, способствующих инфильтрации, и густоты сети временных водопотоков, увеличивающей значение поверхностного стока.

Гидроиндикация напорных вод, отделенных от поверхности водоупором, производится не прямо, а косвенно – по результатам воздействия выделенных на МДЗ тектонических структур на инфильтрацию осадков и фильтрацию подземного стока.

Особое значение для движения подземных вод как платформенных, так и горно-складчатых областей имеют дизъюнктивные элементы геологической структуры, достаточно надежно выделяемые на МДЗ в виде линеаментов или их систем. Гидрогеологическая роль разрывных нарушений устанавливается по приуроченности к ним крупных концентрированных выходов подземных вод, высокодебитных скважин и наличию поверхностного стока, обусловленного подземным питанием. Комплексный анализ геометрических (протяженность, ширина, азимут простирания), структурных (кинематика, амплитуда), ландшафтных (распределение растительного покрова и рисунка гидросети) и дешифровочных (фототон) признаков позволяет получить данные для гидрогеологических целей.

Изучение гидрогеологических условий по КС и АС является одним из наиболее сложных видов геологического дешифрирования, так как основной объект исследования – подземные воды- прямого отображения на снимках практически не получает (за исключением обычно очень немногочисленных источников). Поэтому при дешифрировании приходится полагаться почти исключительно на различную косвенную информацию.

Это существенно усложняет процесс дешифрирования и его достоверность. Опыт свидетельствует, однако, о том, что использование КС и АС оказывается полезным при решении по крайней мере трех важных гидрогеологических задач: а) региональное гидрогеологическое изучение территории (гидрогеологические съемки мелкого и среднего масштаба); б) поиски подземных вод в зонах распространения вечной мерзлоты, пустынь и некоторых других регионах со сложными природными условиями; в) наблюдения за изменениями гидрогеологических условий (глубины залегания, минерализации грунтовых вод, при осуществлении мелиораций, строительстве каналов, водохранилищ и других гидротехнических сооружений. Решение первых двух задач имеет много общего, поэтому рассмотрим их здесь совместно.

Как отмечается в учебниках и руководствах по гидрогеологическим исследованиям, основными задачами гидрогеологических съемок мелкого и среднего масштаба являются: а) установление распространения и условий залегания подземных вод на изучаемой территории; б) выявление условий их питания, движения и разгрузки; в) определение водообильности основных водоносных горизонтов; г) изучение минерализации и химического состава подземных вод.

В современной практике решение этих задач достигается постановкой комплексных исследований с использованием как аэрокосмических методов (космическая и аэрофотосъемка), так и различных методов наземной гидрогеологической разведки и опробования.

Аэрокосмические методы применяются главным образом на начальном этапе исследований и позволяют составить общее представление о гидрогеологических условиях изучаемой территории. Полученные при этом результаты обычно не могут претендовать на большую полноту и достоверность, но существенно облегчают постановку дальнейших более детальных наземных исследований. Результаты дешифрирования используются также при осуществлении гидрогеологического районирования территории и составлении гидрогеологических карт, когда возникают такие задачи, как экстраполяция результатов точечных и линейных исследований (маршруты, профили) на окружающие площади, проведение границ и др.

Возможности гидрогеологического дешифрирования, объем и достоверность информации, получаемой о подземных водах, в большей степени зависят от масштаба используемых снимков. Это позволяет выделить несколько уровней гидрогеологического дешифрирования (Востокова, 1976).

Верхний уровень дешифрирования, обеспечивающий получение наиболее общей информации, связан с использованием мелкомасштабных КС (1:1 000 000 и мельче). Снимки этих масштабов позволяют выделить крупные морфоструктуры и составить соответствующую карту или схему. На основании этой карты можно установить в первом приближении положение, типы и форму крупных гидрогеологических структур, определить соотношение между ними, выявить области питания, транзита, накопления и разгрузки подземных вод. При дешифрировании могут быть выявлены также некоторые характерные типы ландшафтов, в том числе и «гидрогенные» (по Е.А.Востоковой), структура и фотоизображение которых определяются в той или иной степени гидрогеологическими условиями территории (наличием, глубиной залегания, минерализацией грунтовых вод). С ними связаны определенные типы рельефа, ассоциации растительных сообществ и пр. К их числу относятся ландшафты аллювиальных и дельтовых равнин, солончаковые, болотные ландшафты и многие другие. Выделение таких ландшафтов в сочетании с геоморфологическими и геоструктурным дешифрированием позволяет дать определенные прогнозы в отношении распределения различных типов грунтовых вод, глубин их залегания, а иногда и степени минерализации.

По результатам дешифрирования могут быть намечены также участки, перспективные в отношении обнаружения запасов неглубоко залегающих пресных грунтовых вод, пригодных для водоснабжения, мелиорации или обводнения изучаемой территории.

Для регионов с хорошо изученными гидрогеологическими условиями (например, европейская часть СССР, ряд высокоразвитых стран Европы и Америки) дешифрирование этого уровня большого практического значения не имеет, хотя и позволяет вносить определенные уточнения и изменения в различные региональные гидрогеологические построения (мелкомасштабные карты гидрогеологического районирования и др.). Значительно более эффективным оно оказывается для территорий, слабо изученных в гидрогеологическом отношении, где региональные гидрогеологические исследования ранее не проводились, а имеющаяся информация носит разрозненный характер.

Второй уровень гидрогеологического дешифрирования связан с использованием среднемасштабных космических (1:200 000 – 1:1 000 000) или примерно отвечающих им по информативной емкости и дешифровочным свойствам мелкомасштабных (1:100 000 –1:120 000) аэроснимков. Снимки этих масштабов обеспечивают значительно более уверенное геологическое и ландшафтное дешифрирование и позволяют составить (или уточнить) комплекс геологических (структурно-тектоническая, геоморфологическая, геологическая дочетвертичных и четвертичных отложений) и ландшафтных карт и схем, что создает основу для гидрогеологического дешифрирования. При этом снимки сохраняют такие достоинства, как большая обзорность и отсутствие загруженности фотоизображения второстепенными деталями, что существенно облегчает выявление региональных закономерностей, которые на более крупных снимках часто теряются. Поскольку частные индикаторы (растительные сообщества, формы микрорельефа) и прямые водопроявления (источники, можачины и др.) на снимках этого масштаба еще, как правило, неразличимы, общий методический подход к дешифрированию остается в этом случае в основном тем же, что и при использовании снимков более мелкого масштаба. С одной стороны, учитываются все особености природных условий территории, определяющие формирование, накопление, движение и разгрузку грунтовых вод, а с другой – используются ландшафтные индикаторы. В роли последних выступают ландшафты и их морфологические части в ранге местностей и урочищ (если они занимают достаточно большие площади).

Дешифрирование позволяет в первую очередь выделить: а) районы, где на поверхности земли или вблизи нее залегают различные изверженные, метаморфические или сильно литифицированные осадочные, преимущественно дочетвертичные, отложения; б) районы с мощным покровом рыхлых неоген-четвертичных отложений.

В районах первого типа обычно удается в первом приближении оценить коллекторские свойства пород (на основании состава пород, тектоники, характера выветривания). Хорошо дешифрируются крупные тектонические нарушения, с которыми часто связана разгрузка глубинных подземных вод и повышенная обводненность пород. В отдельных случаях дешифрируются водопроявления (крупные источники, пластовые выходы подземных вод и др.).

В районах второго типа дешифрирование позволяет выделить и оконтурить площади распространения песчаных и грубообломочных отложений, наиболее благоприятных для накопления грунтовых вод, и отделить их от водоупорных пород, где неглубоко залегающие подземные воды отсутствуют или имеют спорадическое распространение. Дальнейшее дешифрирование, основанное на использовании комплексных индикаторов, позволяет дать примерную оценку глубины залегания, а иногда и степени минерализации грунтовых вод. При этом успех дешифрирования и в этом случае в большей степени зависит от наличия априорной информации, позволяющей установить зависимости между типами ландшафтов и различными характеристиками грунтовых вод. Установление состава отложений позволяет сделать прогнозы и в отношении водообильности грунтовых вод. Полученная информация позволяет составить прогнозные карты грунтовых вод, подлежащие уточнению при дальнейших наземных исследованиях.

Третий и четвертый уровни дешифрирования связаны соответственно с использованием среднемасштабных (1:12 000-1:35 000) и крупномасштабных (1:1000 и 1:12 000) аэроснимков. Здесь широкое применение могут найти не только комплексные индикаиторы (природно-территориальные комплексы в ранге местностей, урочищ), но и частные индикаторы (главным образом растения – фреатофиты и их ассоциации). На снимках уверенно фиксируются также все виды водопроявлений: источники, пластовые выходы, мочажины и др. В благоприятных условиях дешифрирование позволяет достаточно уверенно оценить глубину залегания грунтовых вод, а в некоторых случаях и степень их минерализации. Иногда можно выявить также направление «потоков» грунтовых вод и пр.

К недостаткам снимков среднего и крупного масштаба относятся малая их обзорность и перегруженность деталями, что сильно затрудняет выявление общих закономерностей.

Отмеченные достоинства и недостатки снимков разного масштаба свидетельствуют о целесообразности их комплексного использования. При гидрогеологических съемках мелкого и среднего масштаба оптимальным в смысле эффективности дешифрирования и затрат времени на эту операцию следует считать сочетание КС среднего масштаба или АС мелкого масштаба с АС среднего или крупного масштаба. Первые обеспечивают в этом случае выделение контуров, различающихся по рисунку фотоизображения, вторые – расшифровку рисунков и получение основных характеристик грунтовых вод в пределах выделенных контуров.

Возможности гидрогеологического дешифрирования, состав используемых индикаторов, а в известной степени и используемые методические приемы зависят в большей мере от физико-географических условий и геологического строения территорий.

Дешифрирование границ палеодины р. Волги

В 1992 г. автором настоящего курса лекций выполнено дешифрирование пакета МДЗ с целью определения границ палеодолины р. Волги. Терригенные породы, выполняющие древнюю долину, являются коллекторами пресных вод, пригодных для водоснабжения населенных пунктов, в т.ч. и г.Казани.

В Татарстане границы палео-Волги отбивались по материалам буровых скважин различного назначения. Последние располагаются по площади весьма неравномерно и их явно недостаточно, чтобы детально проследить контуры палеодолины.

Начиная с 50-х годов XX в. ряд исследователей занимался реконструкцией плиоценовых «врезов» в палеозойские породы в пределах Татарстана (Н.Н.Нелидов, С.Г.Каштанов, А.В.Кирсанов, Н.П.Медведева и др.). Однако границы палеодолин на их картах и схемах практически не совпадают.

В своей работе мы использовали уже имеющиеся геолого-геофизические материалы и аэрокосмическую информацию для территории Татарстана, т.е. применили комплексный подход к решению поставленной задачи.

Выявление палеодолин крупных рек и их притоков динстанционными методами здесь не проводилось. Поэтому, прежде чем отрабатывать методику дешифрирования, необходимо было установить минимальный пакет аэро- и космоснимков, позволяющий с достаточной степенью достоверности отдешифрировать границы палеодолин. Авторы остановили свой выбор на проведении площадной аэросъемки с помощью многоспектральной сканерной съемочной системы «Матра», аэрофотоаппаратура ТАФА-10 и на проведении космической съемки радиолокатором бокового обзора.

Спектральные диапазоны системы «Матра»:

1. 550±20 нм

2. 640±20 нм

3. 720±30 нм

4. 830±30 нм

5. 10-12 мкм (тепловой канал)

6. 8-14 мкм (тепловой канал).

Разрешающая способность с высоты 10 км.- 30 м. максимальный дианамический диапазон ИК-радиометра – 20 – +40⁰С.

Форматы снимков 18 х 18 см.

Исследование температурных полей методами дистанционного зондирования выполнялись в дальнем ИК-диапазоне (8-14 мкм), используя шестой канал аппаратуры «Матра». Интенсивность ИК-излучения в диапазоне 8-14 мкм непосредственно связывается (особенно в ночное время) с температурой и типом горных пород и почвы, лежащих на поверхности. Температура поверхности зависит от состояния атмосферы и теплового потока, идущего из глубины Земли. Глубинное тепло, достигающее поверхности, зависит от теплопроводности и структуры горных пород и несет в себе информацию о погребенных геологических структурах.

Таким образом, возможно получить некоторое представление о погребенных геологических структурах, исследуя распределения тепловых полей региона.

Исследования полей влажности методами дистанционного зондирования оптимально проводить в радиодиапазоне, используя радиолокационные системы бокового обзора (РЛС БО).

Нами использовался РЛС БО с длиной волны 10 см, установленной на космическом аппарате «Салют», позволяющая получать РЛ-снимки в полосе обзора 40 км с разрешением 15 м.

Это аппаратура позволяет на радиолокационных снимках обнаруживать участки с повышенной влажностью, а также участки с поверхностными водами. Они выделяются в виде затемненных областей, обладающих малой ЭПР.

Основной задачей съемок является получение изображений земной поверхности в виде черно-белых и цветных фотографий, а также их многоспектральной радиационной картины в виде цветных фотоснимков.

Материалы аэросъемок предназначены для разработки метода тематического дешифрирования, а именно картирования палеодолин.

Материалы аэросъемок пригодны для отработки методики с применением математических методов и теории информации к дешифрированию аэрофотоматериалов с накоплением и хранением данной информации на магнитных носителях и обработкой ее на ЭВМ.

С целью получения материалов во всех спектральных диапазонах, а также из экономических соображений, аэросъемка производится днем, вблизи полудня.

В связи с тем, что на территории Среднего Поволжья по материалам дистанционного зондирования палеодолины крупных рек ранее не оконтуривались, в первую очередь необходимо было отработать методические приемы, позволяющие успешно решить поставленную задачу.

Для этой цели, в качестве эталонного был подобран участок палеодолины р. Волги в районе с.Столбищи, где границы древней долины надежно и детально установлены по результатам бурения и профильного ВЭЗ.

Основой, разработанной авторами данного отчета методики, является геоиндикациолнный метод дешифрирования аэро- и космоснимков.

Метод основывается на известных представлениях о взаимосвязи ландшафта территории с ее геологическим строением, в частности о взаимосвязи отдельных компонентов ландшафта с определенными геологическими объектами и процессами.

Основной задачей дешифрирования на Столбищенском участке было выявление возможно большего числа компонентов ландшафта, являющихся индикаторами (поверхностными признаками) палеодолины Волги.

Методические приемы любого вида геологического дешифрирования имеют свою этапность и последовательность.

На первом этапе исследования осуществлялось обзорное или обзорно-региональное дешифрирование в масштабе 1:1000000 или мельче. Целью его является, в данном конкретном случае, грубое выявление местоположения палеодолины и ее общая конфигурация.

За неимением материалов дистанционного зондирования масштаба 1:1 000 000, нами выполнено дешифрирование космоснимка (КС) видимой области масштаба 1:500 000 в черно-белом исполнении, съемка проведена в 1983 году.

Дешифрирование этого КС позволило уверенно определить контур палеодолины р. Волги на участке от р. Казанки до северного берега нижнекамского водохранилища. От устьевого отрезка р. Казанки на юг в субмеридиональном направлении простирается палеодолина Волги шириной около 0,5 км. Южнее о. Верхний Кабан она делится на два рукава. Борта палеодолины хорошо дешифрируются по фототону, а также по цепи озер, участков повышенной увлажненности (более темный фототон), по руслам ручьев, мелких рек и долинам оврагов.

На втором этапе выполнялось региональное дешифрирование в масштабе 1:200 000 или близком ему. В этот этап уточнялись границы дешифрируемых объектов с большей детальностью. В нашем распоряжении имелись радиолокационные КС (РЛС) масштаба 1:270 000 в черно-белом исполнении и масштаба 1:150 000, выполненные в псевдоцвете и черно-белые. На черно-белом снимке масштаба 1:150 000 участки высокой влажности имеют более темный фототон. На снимке борта обоих рукавов палеодолины отбиваются по цепи контуров ландшафта, характеризующихся повышенной увлажненностью поверхности (розовый и фиолетовый цвет участков). Наиболее сухие участки земной поверхности (краснокоричневый и желтый цвет) заключены между рукавами палеодолины.

Дешифрирование на Столбищенском участке затруднено в восточной и юго-восточной частях полигона. Здесь находится русло р.Меша, вследствие чего участки повышенной влажности, связанные с подтоком вод к земной поверхности по склонам палеодолины р. Волги, маскируются переувлажненными участками долины р. Меша и ее притоков.

На третьем этапе дешифрирование проводилось на материалах дистанционного зондирования масштаба 1:50 000 –1:25 000. Целью его является детальное определение границ палеодолины р. Волги.

Дешифрирование проводилось на увеличенных отпечатках КС РЛС – снимка масштаба 1: 150 000 до масштаба 1: 50 000 и на псевдоцветных АС масштаба 1:24 000. Из имеющихся увеличенных отпечатков РЛС – снимков и АС составлены фотосхемы. Ранее собранные геологические материалы по Столбищенскому участку: 1) геологическая карта дочетвертичных отложений; 2) карта изомощностей неоген-четвертичных отложений; 3) карта эрозионной поверхности донеогеновых отложений, 4) структурная карта по кровле ассельского яруса, 5) геологическая карта дочетвертичных отложений и др. приведены в масштаб фотосхемы (1:24 000) и вычерчены на прозрачной основе (лавсановой кальке). При дешифрировании они использовались как накладки на фотосхему. При дешифрировании применялась также схема результатов геоморфологического дешифрирования Столбищенского участка, выполненная в масштабе 1:25 000.

В пределах Столбищенского участка оба борта западного рукава палеодолины Волги от с. Песчаные Ковали до д.Беляково дешифрируются уверенно по цепи мелких озер, оврагов,часто залесенных, заболоченных участков.

По результатам проведенных в пределах палеодолины Волги исследований устанавливаются определенные особенности в распределении аллювиальных фаций. В центральной, наиболее углубленной части палеодолины, располагаются мощные песчано-гравийно-галечные отложения русловых фаций. Мощности заметно изменяются по простиранию палеодолины. Так, в Ново-Николаевке на глубине 113-115 м вскрыты крупнозернистые пески (12 м) подстилаемые гравием (25-27 м). Эти отложения подпираются с боков (вероятно пойменные фации) и перекрываются сверху глинами. В данном разрезе, в частности, пачка перекрывающих глин имеет мощность 10 м. Выше располагаются чередующиеся глинистые отложения с невыдержанными песчаными прослоями и пачками песка мощностью от 0,6 до 6,5 м. Строгой стратиграфической приуроченности песчаные пропластки не имеют. Значение их, как источника водоснабжения, невелико. В этом отношении наибольшую роль играют грубозернистые породы русловых фаций, приуроченные к наиболее глубоким частям палеодолины. В связи с тем, что грубозернистые отложения как бы вложены в глинистую толщу, воды приобретают значительный напор (до 65 м). Южнее мощность водонасыщенных песчано-гравийно-галечных отложений возрастает от 37-39 м до 48 м (Горки) и далее до 50 м (Мясокомбинат, пос. Давликеево).

Таким образом в разрезе палеодолин отчетливо выделяется центральная наиболее глубокая и водообильная часть (русловые фации палеорек). С боков и сверху водоносные толщи перекрыты глинами, которые создают своеобразный барраж для вод, движущихся к современному руслу Волги со стороны водоразделов, значительно повышая их уровень, особенно со стороны палеодолины, обращенной к водоразделу. Это, вероятно, и определяет наличие карста, суффозионных «блюдец» и западин, участков заболоченности и т.п.

Этими особенностями геолого-гидрогеологического строения и объясняется распределение участков повышенной влажности на границах палеоразрезов. Вполне объяснимы и несколько большие по ширине, чем реальные, размеры палеодолин, выявляемые при дешифрировании аэро- и космоснимков. Последнее связано с постепенным переходом водоносных горизонтов коренных пород в водоносные горизонты четвертичного аллювия и, наконец, в локальные водоносные горизонты плиоцена. Широкое развитие глин в верхней части плиоценового разреза приводит к задержке инфильтрующихся вод непосредственно на границах с неогеновыми отложениями, создавая переувлажненные участки. Все это и создает благоприятные условия для выделения и прослеживания палеодолин дистанционными методами, поскольку повышенная влажность грунтов на границах палеодолины обуславливает своеобразие их тепловых свойств в сравнении с окружающими, своеобразие геодинамических процессов, растительных сообществ и др.

Итогом многоэтапного дешифрирования материалов дистанционного аэрокосмического зондирования на Столбищенском участке является схема результатов дешифрирования палеодолины р. Волги в масштабе 1:24 000, на которой показаны границы бортов палеодолины.

Индикатором этих границ в ландшафте являются озера, формы поверхностного карста, участки повышенной влажности, русла ручьев, долины оврагов, имеющие определенные яркости в видимом, тепловом и радиолокационном диапазонах.

Применение материалов дистанционного зондирования в различных диапазонах волн с использованием выявленных геоиндикаторов погребенной палеодолины Волги на эталонном участке позволяет весьма достоверно определить контур этой долины.

При этом имеются следующие преимущества перед другими геолого-геофизическими методами:

1. На материалах дистанционного зондирования одновременно вся исследуемая территория и границы палеодолины, по геоиндикаторам прослеживается практически непрерывная зона палеодолины. Используя любые другие методы – бурение, ВЭЗ и т.д. – геолого-геофизическая информация получается лишь в отдельных точках, между которыми необходимо проводить интерполяцию. Любая же интерполяция приводит к определенным неточностям. Т.е. обработка материалов аэрокосмического зондирования повышает надежность определения границ выявляемого объекта.

2. Значительное удешевление работ по сравнению с решением той же задачи путем проходки буровых скважин или геофизических исследований.

Используя цифровые данные на технических носителях, задавая пороговые уровни в нескольких диапазонах спектра, на следующем этапе можно осуществить попытку автоматического распознавания контуров палеодолины.