Способ дистанционного зондирования при выявлении динамически напряженных зон земной коры

Изобретение относится к области геологического обнаружения скрытых объектов, в частности к дистанционному зондированию при выявлении динамически напряженных зон земной коры с использованием комплексных методов разведки.

Известны способы выявления локальных разломов земной коры, включающие привязку топоосновы к исследуемой местности и геологическое изучение участка с отбором образцов горных пород и отбивкой границ изменения их состава (Белоусов В.В. Структурная геология - М., МГУ, 1986 г. - 420 с., ил.).

Недостатком известных способов является невысокая точность отбивки границ разломов.

Известен также способ дистанционного зондирования для обнаружения региональных зон повышенной трещиноватости и глубинных разломов литосферы, включающий привязку топоосновы к исследуемой местности, геологическое изучение исследуемого участка с выделением аномалий с помощью двух разнесенных магнитовариационных станций (пат. РФ №2226283, МПК G 01 V 9/00, опубл. 27.03.2004 г. - прототип).

Недостатком известного способа, выбранного нами в качестве прототипа по большинству совпадающих признаков, является недостаточная надежность.

Задачей, решаемой использованием заявленного изобретения, является повышение надежности дистанционного зондирования при выявлении динамически напряженных зон земной коры.

Техническая сущность изобретения заключается в том, что в известном способе дистанционного зондирования при выявлении динамически напряженных зон земной коры, включающем аэрофотосъемку и съемку с борта космического аппарата, линеаментное дешифрирование полученных снимков и их анализ, съемку осуществляют с помощью оптических систем высокого разрешения либо посредством многоспектрального сканера, осуществляют компьютерное линеаментное дешифрирование полученных спектрозональных разномасштабных и разновременных снимков одновременно с привязкой топоосновы к исследуемой местности, причем компьютерное линеаментное дешифрирование производят на основе ландшафтной индикации в сочетании с наземной заверкой локализации линеаментов границами аномалий физических полей и деформаций, предварительно выявленных в процессе геологического изучения исследуемого участка, а точность линеаментного дешифрирования подтверждают приборными методами с учетом геохимических особенностей местности;

спектральные диапазоны длин волн сканируемой энергии заключены в пределах 0,4-15 мкм;

в качестве приборных методов подтверждения точности линеаментного дешифрирования используют гравиметрическую съемку, материалы радиоактивного и стандартного каротажа разведочных скважин, сейсморазведки, гамма- и радоновой съемок, а также данные о нарушениях трубопроводных и инженерных систем на исследуемом участке.

Выполнение привязки топоосновы к исследуемой местности одновременно с компьютерным линеаментным дешифрированием спектрозональных разномасштабных и разновременных космических и аэрофотоснимков на основе ландшафтной индикации в сочетании с наземной заверкой локализации линеаментов границами аномалий физических полей и деформаций обеспечивает более точное в сравнении с известными способами выявление динамически напряженных зон земной коры.

Использование в качестве космических снимков материалов спутниковых пассивных систем дистанционного зондирования, полученных сканированием отраженной земными объектами энергии Солнца, обеспечивает надежное выявление границ аномальных участков, поглощающих энергию Солнца.

Выбор спектральных диапазонов длин волн сканируемой энергии в пределах 0,4-15 мкм обеспечивает высокую точность "распознавания образов" при линеаментном дешифрировании на ЭВМ материалов сканерной съемки.

Уточнение линеаментного дешифрирования геохимическими особенностями местности обеспечивает подтверждение его правильности.

Оценка точности линеаментного дешифрирования приборными методами: магнитометрической съемкой, материалами радиоактивного и стандартного каротажа, сейсморазведки, гамма-каротажа, а также данными о нарушениях трубопроводных и инженерных систем на исследуемом участке обеспечивает подтверждение надежности применяемого метода.

Измерение приборными методами деформации и смещения элементов динамически напряженных зон друг относительно друга и относительно пересекающих зону трубопроводных и инженерных систем обеспечивает полноту информации о параметрах зон.

На фигурах графического приложения показаны: на фиг.1 - пример первичной привязки линеаментов к ландшафту при дешифрировании аэрофотоснимка; на фиг.2 - фрагмент аэрофотоснимка с нанесенными линеаментами согласно ландшафтной индикации; на фиг.3 - фрагмент базового космического снимка той же местности с нанесенными линеаментами, подтвержденными результатами геологических исследований; на фиг.4 - схема измерения деформаций зоны.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Имеющуюся в распоряжении исследователей видеодокументацию тщательно анализируют, привязывая к топооснове и одновременно выявляя дешифровочные признаки - ландшафтные индикаторы.

При этом для выделения разных классов объектов формируют различные ряды индикаторов. В случае линеаментного дешифрирования в качестве дешифровочных индикаторов выступают те, которые проявляют на поверхности линейные геологические структуры. На спектрозональных космических и аэрофотоснимках линеаменты выражены в ландшафте такими дешифровочными индикаторами, как ложбины стока, полосы и зоны лучшего развития или, наоборот, угнетения различных видов растительности, спрямленные участки русел рек, берегов озер, границ ландшафтных структур и пр.

Тектоническая активность равнин испытывает тенденцию к снижению, начиная с позднего палеозоя, что отражено в тектонике верхних слоев осадочного чехла. Отдельные локальные поднятия, связанные с тектоническими движениями, в рельефе выражены слабо из-за того, что скорость процессов эрозии выше скорости процессов поднятия. Хорошо развитые озерная сеть, болота и торфяники, в свою очередь, еще скрывают проявление слабых тектонических процессов, это уменьшает степень выраженности ландшафтных индикаторов динамически напряженных зон (ДНЗ).

Однако при компьютерном синтезе спектрозональных космических и аэрофотоснимков индикаторы прослеживаются хорошо. В процессе разработки газонефтяных месторождений возникает целый спектр индикаторов природно-антропогенного происхождения.

На фиг.1 и 2 полосы отмелей и береговых зон хорошо трассируют линеаменты 1, пересекающие озера и реки 2 с отмелями 3.

При дистанционном космическом или аэрозондировании измеряют электромагнитную энергию, излучаемую исследуемым объектом.

Технология анализа данных дистанционного зондирования на ЭВМ, называется "распознаванием образов". Большой обзор с высоты полета спутника, разнообразие спутниковых датчиков и используемые спектральные каналы целого комплекса орбитальных искусственных спутников Земли разного назначения позволяют получить огромный набор данных слежения. Для достижения быстроты в извлечении информации из большого объема получаемых данных используют дополнительные стадии первичной предварительной обработки в компьютерных системах. Так, для того чтобы облегчить сопоставление различных информационных слоев, выполняют геометрическое преобразование данных и осуществляют нанесение системы координат.

Дистанционное изучение неотектонических и современных движений земной коры и процессов, происходящих в активных разломах земной коры, основано на том, что эти процессы и явления взаимосвязаны. Неотектонические и современные движения земной коры порождают, в частности, локальные градиенты физических полей и геохимические аномалии. При этом каждый биологический тип покрытия относится к почве с определенными химическим и физическим составами. Если учесть зависимость свойств почв от материнской породы, то, очевидно, что горные породы массива и разломной зоны проявляют себя на космическом снимке как спектрально разделимые классы - в разломных зонах иные свойства почв, обусловленные геохимическими и гидрохимическими особенностями разломов и аномальными физическими полями в них.

Являясь зонами повышенной проницаемости верхней части земной коры, большинство разломов, в том числе и локальных, представляют собой участки коры, вмещающие как породы иного гранулометрического состава, так и геохимические аномалии. В пределах разломных зон наблюдают повышенную трещиноватость пород, обводненность, иной геохимический состав, чем во вмещающих породах массива. Особенности геохимического состава обусловлены, во-первых, тем, что локальные разломы являются зонами накопления - разгрузки поверхностных веществ, переносимых поверхностными водами и атмосферными массами, во-вторых, присутствием в верхних слоях породы локальных разломов веществ и микроэлементов, характерных для пород и вод более глубокого залегания. Последнее объясняется поднятием и выносом веществ на поверхность во время движений блоков относительно друг друга.

Все это приводит к преобразованию ландшафтных структур в пределах аномалий. Именно поэтому на поверхности возникают ландшафтные индикаторы, свидетельствующие о напряженно-деформированном состоянии массивов горных пород.

По нефтегазовым месторождениям в случае соответствия линеаментов реальным геологическим объектам анализируют данные гравимагнитной съемки, материалы радиоактивного и стандартного каротажа, сейсморазведки, а также структурные карты пластов, геоморфологические карты, керновые данные, результаты съемки гамма-излучения, изучают модели блокового строения, которые позволяют проследить геологические неоднородности в осадочном чехле до глубин разведочного бурения 2300-2800 м.

На основе анализа глубинного простирания неоднородностей в разрезе определяют степень их современной активности. При этом отмечено, что структуры, доходящие до поверхности, проявляют большую активность, нежели "теряющиеся" на глубине, например 600-800 м.

Для территории месторождений были пространственно и статистически изучены данные о нарушениях трубопроводов. Проанализировав материал геологических исследований, а также наложив на карты локальных разломных структур на территории месторождений данные о повторяющихся нарушениях трубопроводов, оценивают современную активность закартированных неоднородностей земной коры в пределах изученных месторождений, подтверждая достоверность результатов предварительного выявления на основе дешифрирования линеаментов ДНЗ на поверхности, образованных геологическими объектами в недрах.

На основании результатов, полученных в итоге комплексного анализа разнородной информации об объекте исследований, разработана последовательность действий, позволяющая выявлять и картировать неоднородности земной коры, способные оказывать влияние на объекты поверхности. Комплекс материалов включает в себя данные геологических изысканий, модели, построенные на основе математической обработки данных, карты линеаментов ДНЗ, результаты пространственного и статистического анализа данных о нарушениях трубопроводных систем и пр.

В результате уже на стадии линеаментного дешифрирования анализируется соответствие линеаментов на поверхности земли, нашедших отражение на фотоснимках, неоднородностям в разрезе земной коры. Помимо этого при дешифрировании используются известные методы последовательной детализации космических фотоснимков.

Пример выполнения способа. В качестве исходных авторы использовали данные, полученные с помощью пассивных систем дистанционного зондирования. Датчик, установленный на орбитальном спутнике Земли, получал энергию от земных объектов, освещенных внешним источником излучения - Солнцем. Съемку осуществляли либо с помощью оптических систем высокого разрешения, либо посредством многоспектрального сканера, который представляет собой механизм для одновременного измерения энергии в нескольких диапазонах длин волн. Для линеаментного дешифрирования использовали материалы сканерной съемки и фотоснимки, имеющие ряд спектральных диапазонов, которые расположены в пределах 0,3-15 мкм.

Исходные данные дистанционного зондирования - космические снимки, которые использовали в качестве базовой основы при линеаментном дешифрировании для выявления ДНЗ на изучаемой территории, были отсняты летом 1993 г. с искусственного спутника Земли серии "Космос" в диапазоне 0,4-15 мкм.

Первичную обработку описанных исходных материалов для изучаемой территории осуществляли следующим образом.

Аэрофотоснимки и космический спектрозональный снимок были введены в память компьютера путем оцифровки через сканер. Для формирования единого файла снимка исследуемой территории выполняли компьютерную сшивку снимков каждого вида по краям. Затем осуществили компьютерное дешифрирование файла снимка с применением ранее разработанных ключевых дешифровочных признаков для выделения линеаментов в ландшафте. Для подтверждения полученных результатов выполнили комплекс работ, включающих в себя помимо линеаментного дешифрирования анализ массива данных геологических исследований и материалов инженерно-геологических изысканий.

В результате на изучаемой территории выделили линеаменты, которые проявляют на поверхности современно активные локальные разломы земной коры, плотностные и прочностные аномалии, локальные пликативные и блоково-пликативные дислокации и пр., т.е. неоднородности земной коры различной природы, степени и физической активности. На электронный базовый космический фото-снимок изучаемой территории залета 1993 г. нанесли 18 линеаментов, предположительно соответствующих современно активным локальным разломам (фиг.3), обозначив их тонкими линиями 1.

Из проведенных исследований изложенных ранее материалов установлено, что все выявленные структуры достаточно активны. Подтверждением этому служит, в частности, тот факт, что вновь созданный и природный ландшафт продолжает изменяться, но структуры ландшафта, контролируемые активными линеаментами, остаются как бы фиксированными во времени. На примере сравнения материалов, полученных в 1984 и 1993 г., проанализируем особенность поведения границ ландшафтных объектов, не затронутых хозяйственной деятельностью человека. Эта особенность проявляется при детальном рассмотрении разномасштабных материалов дистанционного зондирования всего временного ряда.

Так, сравнив эволюцию береговой линии старицы 4 дугообразной формы, расположенной на фрагменте аэрофотоснимка залета 1984 г. в его юго-восточной части (фиг.2), с тем, как она выглядит на космическом спектрозональном фотоснимке 1993 г. (фиг.3), отметим, что произошло заметное изменение конфигурации отмелей, береговых линий старицы. В то же время восточная граница отмели, контролируемая субмеридиональным линеаментом 5, расположенным в юго-восточной части фрагмента, остается на том же месте. Та же закономерность отмечается и для северной дугообразной линии, которая контролируется субширотным линеаментом 6, эта линия почти десять лет остается практически неизменной.

Анализ всего комплекса взаимодополняющих данных позволил получить достаточно четкую картину линеаментов на изучаемой территории. После компьютерной проработки результатов линеаментного дешифрирования материалов дистанционного зондирования и анализа данных геологических исследований инженерно-геологических изысканий схема линеаментов нанесена на топографическую основу изучаемой территории.

Линеаментное дешифрирование предпочтительно выполнять на основе разномасштабных материалов именно космической съемки, используя снимки, например, следующего масштабного ряда: 1:200000, 1:500000, 1:800000, 1:1000000. Компьютерная проработка имеющихся материалов позволила наметить проявившиеся в линеаментах зоны локальных разломов и установить их местоположение.

После создания схемы линеаментов определяют, какие из них соответствуют реальным неоднородностям земной коры и какие из неоднородностей, в свою очередь, являются активными геологическими элементами, способными влиять на объекты поверхности. Разумеется, шесть информационных слоев космических, аэрофотоснимков и материалов сканерной съемки, выполненных для одной территории в разное время и в разных зонах спектра, как это сделано для изучаемой территории, а также материалы геологии и инженерной геологии позволяют произвести предварительную оценку соответствия линеаментов на поверхности геологическим элементам земной коры и предварительную оценку их активности в настоящее время.

Для того чтобы на этапе обзорных построений оценить активность и агрессивность структур по отношению к наземным объектам, производилась наземная заверка выявленных зон. Заверка ДНЗ, проявивших себя в виде линеаментов в ландшафте на космических и аэрофотоснимках и в материалах сканерной съемки, производилась по уровню фонового гамма-излучения и измерения содержания радона. Проводилась маршрутная съемка уровня гамма-излучения практически по всей территории и оценочная радоновая съемка.

В результате (фиг.4) зафиксированы точки 7 аномального гамма-излучения, жестко приуроченные к границам исследуемой локальной разломной структуры 8. Локализация и активность этой структуры были подтверждены еще и магнитометрическими исследованиями - измерены градиенты и вариации магнитного поля в разломе 8 и деформации пересекающего разлом 8 трубопровода 9.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ИЛИ ИНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

1. Создание высокоэффективной методики геологического картирования динамически напряженных зон.

2. Точное определение границ разломных зон позволяет заранее предусмотреть ряд мер, предотвращающих экологические катастрофы, связанные с деформацией нефтяных и газовых трубопроводов.

3. Определение границ динамически напряженных зон в городских условиях позволяет правильно проектировать гражданское и промышленное строительство.

1. Способ дистанционного зондирования при выявлении динамически напряженных зон земной коры, включающий аэрофотосъемку и съемку с борта космического аппарата, линеаментное дешифрирование полученных снимков и их анализ, отличающийся тем, что съемку осуществляют с помощью оптических систем высокого разрешения либо посредством многоспектрального сканера, осуществляют компьютерное линеаментное дешифрирование полученных спектрозональных разномасштабных и разновременных снимков одновременно с привязкой топоосновы к исследуемой местности, причем компьютерное линеаментное дешифрирование производят на основе ландшафтной индикации в сочетании с наземной заверкой локализации линеаментов границами аномалий физических полей и деформаций, предварительно выявленных в процессе геологического изучения исследуемого участка, а точность линеаментного дешифрирования подтверждают приборными методами с учетом геохимических особенностей местности.

2. Способ дистанционного зондирования при выявлении динамически напряженных зон земной коры по п.1, отличающийся тем, что спектральные диапазоны длин волн сканируемой энергии заключены в пределах 0,4-15 мкм.

3. Способ дистанционного зондирования при выявлении динамически напряженных зон земной коры по п.1, отличающийся тем, что в качестве приборных методов подтверждения точности линеаментного дешифрирования используют гравиметрическую съемку, материалы радиоактивного и стандартного каротажа разведочных скважин, сейсморазведки, гамма- и радоновой съемок, а также данные о нарушениях трубопроводных и инженерных систем на исследуемом участке.