« Исследование Земли из космоса», 2006, №1,с.35-40.

 УДК – 550.814.05

 Линеаментный анализ как метод прогнозирования участков аварийности инженерных объектов (на примере  Санкт- Петербурга).

 С.Н. Неволин

 На основе анализа изображений космической фотосъемки территории Санкт-Петербурга выявлены геодинамически активные зоны. Разработан метод анализа трещиноватости асфальта дорог, показана его применимость для обоснования степени активности линеаментов. Совместный анализ спутниковых и геолого-геофизических данных позволил установить взаимосвязь зоны линеаментов и аварийного участка метрополитена в районе пл. Мужества. Сделан вывод о пространственной упорядоченности участков трещиноватости по законам центральной симметрии. Выявлены ринговые структуры, находящие отражение в  осадочном чехле. Показаны возможности линеаментного анализа для выделения участков аварийности инженерных объектов.

 ВВЕДЕНИЕ

 В последнее время обеспечение надежности и устойчивости инженерных сооружений рассматривается с точки зрения оценки и прогнозирования процессов, происходящих в земной коре. Любой участок земной коры пересекается множеством нарушений сплошности,  которые делят его на структурные составляющие – блоки горных пород. Локализация механических деформаций в межблоковых  зонах - мощный фактор воздействия на инженерные сооружения. К межблоковым трещинным зонам часто приурочены разрывы инженерных коммуникаций, в том числе  магистральных газопроводов, участки коррозии металлических конструкций[1-4].

В настоящей работе рассматривается возможность комплексного применения стандартных и  нетрадиционных методов, соответствующих структурным особенностям территории. Цель исследования – оценка возможности  прогноза площадей аварийности инженерных сооружений и коммуникаций на основе дистанционных методов. Задача решается с помощью комплекса  помехоустойчивых методов изучения геологической среды, пригодных в условиях мегаполиса.

 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

 Полигоном для отработки методики использования аэрокосмических данных в целях инженерного проектирования выбран г. Санкт-Петербург. Для  комплексного анализа территории привлечены материалы космических съемок, данные спектрально-сейсморазведочного профилирования, результаты наземных измерений трещиноватости конструктивных материалов инженерных объектов. Одним из методов выделения геодинамически активных зон является линеаментный анализ материалов аэрокосмических съемок. В работе  использованы космические панхроматические снимки с разрешением 5-7 м, выполненные камерой КФА-1000 в летнее время, увеличенные до М 1: 50 000, 1: 25 000. В условиях города дешифрирование линеаментов осложняется сплошной застройкой и техногенной переработкой рельефа. Дешифровочные признаки не всегда позволяют разделить естественные и техногенные линеаменты, поэтому требуется наземная заверка последних. При этом проблема селекции активных линеаментов решается путем привлечения геологических, геофизических, геодезических и других данных.

Анализ материалов космической фотосъемки проводится по изменениям тона, различиям рисунка и структуры изображения. Характерным элементом изображения  являются линеаменты - линейные градиенты плотности тона. Линеаменты - это проявленные в ландшафте зоны трещиноватости, маркирующие разломы осадочного чехла и фундамента. Области сгущения  параллельных линеаментов образуют линеаментные зоны. Большинство линеаментов представляют собой диаклазы - трещины без смещений разделенных ими горных пород. Линеаменты являются каналами миграции подземных вод и газов, участками пластических дислокаций горных пород.

На территории Санкт-Петербурга линеаменты образуют сеть из  трех взаимно перпендикулярных пар. Доминирующее значение имеют линеаменты субмеридионального и субширотного направлений. Плотность линеаментов составляет 0,5 – 0,8 км / км². Длина линеаментов, выделенных на снимках детального уровня генерализации, варьирует от 2 до 8 км, составляя в среднем 3-4 км, при ширине 20-30 м. Параметры линеаментов удовлетворительно согласуются с данными [5], где соответствуют структурным нарушениям 10 ранга с характерными размерами областей межблоковых границ 20-30м  и длиной блоков в 1-2 км. В результате дешифрирования построены карты линеаментов, карты плотностей линеаментов с окнами осреднения 1,6 и 4,2 км, карта векторов удлинения роз-диаграмм линеаментной сети. Установлено, что примерно треть линеаментов являются геодинамически активными, зримые следы их влияния наблюдаются на участках деформаций транспортных магистралей и инженерных сооружений.

 Для обоснования надежности выделения линеаментов в условиях мегаполиса был разработан метод анализа трещиноватости асфальта дорог. В условиях развития рыхлых четвертичных отложений выявление разломов и линеаментов путем наблюдения в полевых условиях весьма проблематично. В то же время в тектонике существует методика определения разломов путем замеров трещин в скальных породах, последующей обработке результатов измерений и анализа данных. В областях развития рыхлых отложений в качестве аналогов скальных пород могут быть  использованы участки асфальтированных дорог. Для измерений выбираются участки автодорог с интенсивным движением транспорта. В первую очередь трещины возникают на участках дорог, характеризующихся наличием пустот, в которых проходят подземные коммуникации (трубы, кабели). Такие участки из совокупности данных исключаются. Кроме того трещины развиваются в зонах с неблагоприятными геологическими условиями (слабые грунты, зоны пористости и трещиноватости пород, линеаменты). При измерениях учитываются лишь поперечные трещины, секущие все асфальтовое покрытие дороги. Замеры местоположения трещин производятся шагами, длины участков измерений корректируются по топографической карте. Автотрасса разбивается на 50-метровые элементарные участки, величины трещиноватости относятся к центрам этих участков.            В большинстве случаев фоновая удельная трещиноватость асфальта составляет 0,04-0,06 м / м.кв. или 2-3 трещины на 50 м профиля. На аномальных участках удельная трещиноватость достигает величин 0,08 - 0,14 м / м. кв. и более. Протяженность участков высокой трещиноватости находится в пределах 50 – 300 м.

В 1996 - 1998 гг. были обследованы дороги главных улиц Петербурга, а также выходящие из города автомагистрали на удалении 10-15 км. Установлено, что участки высокой трещиноватости асфальта располагаются на перегибах склонов, в низинах рельефа, на границах четвертичных отложений различного состава. Выяснено, что более 60% зон высокой трещиноватости асфальта приурочено к линеаментам. Обнаружено, что места дорожно-транспортных происшествий (ДТП), обозначенные на обочинах дорог памятниками или венками коррелируются с максимумами трещиноватости асфальта и линеаментами. Связь участков ДТП  с линеаментами объясняется воздействием геофизических полей, влияющих на психофизические реакции водителей [6]. Для определения степени активности линеамента проводятся наблюдения вдоль его трассы с документацией  трещиноватости стен зданий и асфальта. Активным считается линеамент, вдоль которого происходит сгущение трещин в асфальте и стенах зданий. При  пересечении активным линеаментом инженерных объектов под углами, близкими к прямому, ширина зон трещиноватости стен и асфальта составляет 25-30 м. Каждый линеамент представляет собой зону с двумя динамически активными границами шириной 5-10 м, которым соответствует максимальная трещиноватость и внутренней, относительно стабильной области. Прикладное значение  исследований иллюстрируется  на   примере инженерных объектов, оказавшихся в сфере влияния  активных линеаментов.

В декабре 1995 г. произошло разрушение тоннелей метро вблизи станции «Площадь Мужества». Исследования показали, что в основе аварии лежит проявление комплекса техногенных и природных факторов. Аварийный участок соответствует палеодолине, которая является фрагментом гидросистемы плейстоцена. Эта система предопределена сеткой долгоживущих разломов палеозойского возраста. Строение заполняющей долину толщи четвертичных отложений осложнено тектоническими нарушениями, сопровождаемыми структурными несогласиями. О современной активности нарушений можно судить по прихвату бурового инструмента, сильному поглощению бурового раствора, зафиксированных здесь при бурении скважин, а также по характеру эманационного поля [7]. Мониторинг деформаций земной поверхности места аварии в июне-ноябре 1995 г. показал, что данный тектонический узел является геодинамически опасным участком.

Для изучения геодинамической ситуации района пл. Мужества проведен анализ изображения космического снимка М 1:25 000. Выделена зона линеаментов субширотного простирания (Аз 80°) длиной более 8 км, которая пересекает ул. Карбышева и ул. Политехническая (рис.1).

 Рис.1.Зона линеаментов и геодинамическая ситуация в районе пл. Мужества. 1-место аварии 1974 г.,2- место аварии 1995 г., 3- здания, 4-палеодолина, 5-линеаменты, 6- зона линеаментов, 7- трещины в стенах зданий, 8- участки высокой трещиноватости асфальта, М - пл. Мужества, К - ул. Куйбышева, П - ул. Политехническая, Н - ул. Новосибирская.

 Участок аварии тоннелей метро располагается в центральной части зоны линеаментов. Наземное обследование территории позволило выявить участки трещиноватости стен зданий. Один из участков (ул. Карбышева, д.8) находится в точке сочленения северной границы зоны линеаментов и южного борта палеодолины. Другой участок также приурочен к северной границе зоны линеаментов и соответствует восточной стене административного  здания НПО «Аврора» на ул. Политехнической. Здесь имеется область трещиноватости шириной 15 м, зафиксированная разгрузочными балками и скобами-стяжками. Третий участок располагается на ул. Карбышева вблизи  южной границы зоны линеаментов. Трещины зданий интерпретируются как осадочные, связанные с деформациями оснований. Причина деформаций зданий – наличие под фундаментом участков слабых оснований, зон трещиноватости, обуславливающих пониженную несущую способность грунта [8]. В процессе исследований проведены замеры трещиноватости асфальта проезжей части ряда улиц, примыкающих к району аварии. При этом обнаружено, что участки высокой трещиноватости асфальта на ул. Политехнической и Новороссийской приходятся на центральную часть зоны линеаментов. Отмеченные случаи трещиноватости могут служить критерием активности линеаментной зоны. Трещиноватость стен зданий, асфальта, просадки грунта, деформации инженерных сетей часто  являются закономерными проявлениями современной тектоники. Пространственная упорядоченность этих элементов выявляется при системном анализе спутниковых, инженерных и геологических данных.

В исследовании использованы данные фирмы «Геофизпрогноз», проводившей спектрально-сейсморазведочное профилирование (ССП) вдоль ул. Политехнической и Карбышева [9]. Границы, выявляемые с помощью метода ССП, представляют собой поверхности ослабленного механического контакта, по которым возможно скольжение геологических сред. Аномалии ССП - разреза имеют воронкообразный или клиновидный  характер, соответствуют областям повышенной трещиноватости пород и трактуются как разрывные тектонические нарушения. Северная граница линеаментой зоны отвечает пикету 450 м профиля, где наблюдается воронкообразная аномалия (рис.2).

 Рис.2. ССП - разрез по ул. Политехническая. 1,4- зона линеаментов, 2,3,5 – линеаменты, 6- место аварии 1974 г., 7- место аварии 1995г.,8- граница Северного ринга.

 Южная граница зоны линеаментов проходит через пикет 660 м, здесь на разрезе имеется клиновидная аномалия. Сюда же приурочен эпицентр аварии линии метро1974 г. Линеамент, оперяющий  зону линеаментов с юга, приходится на 710 м профиля, где ему также соответствует аномалия. Центральная часть зоны линеаментов приурочена к линии профиля в диапазоне 520-560 м. Поверхность ослабленного механического контакта здесь характеризуется группой аномалий, самых глубоких на разрезе. Разгерметизация тоннеля метро  произошла на участке 550-580 м профиля ССП. Таким образом, установлена взаимосвязь зоны линеаментов и аварийного участка метрополитена. Аварийный участок расположен в узле сопряжения линеаментной зоны и палеодолины. Одна из причин аварии - воздействие области повышенной проницаемости, приуроченной к  активной  линеаментной зоне.

В наибольшей степени изучена трещиноватость асфальта дорог северных и южных районов Петербурга. На севере города обследованы пр. Гражданский, Испытателей,2-й Муринский, Непокоренных, Северный, Светлановский, Энгельса и Выборгское шоссе. Обнаружен ряд  участков высокой трещинова-тости асфальта со значениями 0,08 – 0,14 м/м². Значительная часть участков высокой трещиноватости приурочена к линеаментам и местам ДТП. Часто участки аномальной трещиноватости асфальта четко ограничены зонами линеаментов. Анализ взаимного расположения участков трещиноватости асфальта привел к неожиданным результатам. Для поиска закономерностей в распределении  данных участков применен подход, изложенный в [10]. Суть  метода состоит в поиске элементов центральной симметрии для группы случайно расположенных геологических объектов, когда измеряются расстояния между центрами всех объектов. Затем  находятся отрезки одинаковой длины, с которыми проводятся операции преобразования по законам симметрии. Часто такие отрезки соединяются между собой, образуя правильный многоугольник. Вокруг многоугольника описывается окружность, центр которой является центром симметрии для точек, образующих вершины многоугольника и ряда других. Измерим расстояния (общим числом измерений153) между центрами участков с 1 по 18 с точностью до 1% (рис.3).

 Рис.3. Расположение участков высокой трещиноватости асфальта на севере Санкт-Петербурга. 1-участки высокой трещиноватости асфальта, 2- Северный ринг, 3- улицы, С - Северный пр., Св - Светлановский пр., Гр - Гражданский пр., Э - пр. Энгельса, 2М - 2-й Муринский пр., Неп- пр. Непокоренных, П- ул. Политехническая, К- ул. Карбышева, Н- ул. Новосибирская

 Получим четыре одинаковых отрезка 9-7, 7-12, 12-17, 17-9, равных 2,73 км и образующих ромб. Проведем диагонали ромба, найдем центр симметрии О и опишем через точки 9,7,12,17 окружность радиусом 1,95 км. Из центра О  можно также описать вторую окружность радиусом 2,75 км через точки 6,4,16. Таким образом, участки 4,6,7,9,12,16 и 17 расположены на окружностях и  фиксируют положение Северной ринговой структуры, которая характеризуется современной тектонической активностью. Северный ринг находит отражение на карте плотностей линеаментов, где ему соответствует пиковые значения 0,7- 0,8 км/км², расположенные на периферии ринга и низкие значения – в центре (рис.4).

 Рис. 4. Положение Северного ринга на карте плотности линеаментов.

 На карте векторов удлинения роз-диаграмм линеаментной сети Северный ринг разделяет области с различным направлением линеаментов.

В работе также использованы данные ССП - профилей, пройденных по ул. Политехнической, Карбышева, Гжатской, Гражданскому пр. и пересекающих Северный ринг в 7 точках. Как минимум в пяти точках границы Северного ринга четко проявлены на ССП - разрезах, где они приурочены к  провалам кровли горизонта котлинских глин (венд), соответствуют группам глубоких аномалий или разделяют блоки разреза. Одна из таких точек представлена на рис.2. Таким образом, построенный геометрическим способом Северный ринг отражается в структуре осадочного чехла в интервале глубин 30-100 м. Аналогичным образом выделен Южный ринг ( р-н Купчино) радиусом 3,90 км, который также нашел соответствующее отражение на карте плотности линеаментов и карте векторов удлинения роз-диаграмм линеаментной сети.

 Ввиду  особенностей расположения  ряда участков высокой трещиноватости асфальта по законам центральной симметрией можно сделать следующий вывод. Современные тектонофизические процессы порождают поля напряжений, часто характеризующиеся центральной симметрией, зоны разрядки которых реализуются в виде областей трещиноватости и  пористости горных пород. Следует отметить, что при исследованиях часто появляется фундаментальный параметр физической среды, число золотого сечения Ф = 1,618, которое характеризует процессы, где реализуется принцип наименьшего действия. Так, средняя плотность линеаментов на территории Петербурга составляет 0,388 км /км². Корень квадратный из этого числа равен 0,623, это среднее расстояние между линеаментами в км. Обратное число (1/0,623 =1,605 - количество линеаментов на единицу расстояния) близко к золотому сечению. Общая длина маршрутов замеров трещиноватости асфальта  дорог Петербурга и ближайших окрестностей – 85 км. Количество линеаментов, пересекающих эти маршруты, равно 138. Отсюда получим: 138/85 = 1,624 - количество линеаментов на единицу расстояния, т.е. опять число, близкое к золотому сечению. Здесь мы наблюдаем своеобразное «квантование» параметров геологической среды, где в качестве коэффициентов пропорциональности выступает золотое сечение.

 ВЫВОДЫ

 1.На основе данных ДЗ реализован набор методов анализа для выявления активных элементов геологической среды в условиях мегаполиса.

2.Выделены новые структурные элементы территории, ринговые   структуры диаметром 5-8 км, характеризующиеся современной тектонической активностью и находящие отражение  в верхней части осадочного чехла.

3.Установлено, что территория   Санкт-Петербурга подвержена влиянию активных линеаментов. Последние трактуются как геодинамически активные зоны с повышенной деформированностью, трещиноватостью и проницаемостью горных пород и определяют характер и состав химически агрессивной подземной среды, вследствие  чего происходит интенсивная эрозия фундаментов инженерных объектов. Воздействие линеаментов обуславливает уменьшение несущей способности грунтов, что приводит к деформации сооружений и коммуникаций.

Информация о пространственном положения зон линеаментов может быть использована в целях выделение участков потенциальной аварийности, оценки несущей способности грунтов.

 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

 1.Касьянова Н.А., Кузьмин Ю.О. Современная аномальная геодинамика недр и ее влияние на объекты нефтегазового комплекса. М. Геоинформмарк, 1996, 54с.

2.Кострюкова Н.К., Кострюков О.М. Локальные разломы земной коры – фактор природного риска. М. Изд-во Академии горных наук. 2002. -239с.

3.Кочарян Г.Г., Родионов В.Н., Бенедик А.Л., Галицкий Ю.А., Моренков С. П. Влияние геодинамических факторов на механическую устойчивость протяженных инженерных сооружений. Геоэкология, 2001, №6, с.489-500.

4.Медведев О.Ю. Современные проявления тектонических движений и их инженерно-геологическое значение на примере северо-запада Одесской области. Инженерная геология,1992, №4,с.52-57.

5.Кочарян Г.Г., Спивак А.А. Иерархия структурных и геодинамических характеристик земной коры. Геоэкология, 2002, №6, с.537-550.

6.Мельников Е.К., Рудник В.А., Мусийчук Ю.И., Рымарев В.И. Патогенное воздействие зон активных разломов земной коры Санкт-Петербургского региона. Геоэкология,1994, №4, с.50-69.

7.Пекельный В.И., Малов Н.Д., Дверницкий Б.Г., Матюхов Р.А. Роль геодинамического фактора в развитии аварийной ситуации в Петербургском метро. Разведка и охрана недр,1998, №7-8, с.60-62.

8.Методика обследования и проектирования оснований и фундаментов при капитальном ремонте, реконструкции и надстройке зданий. М. Стройиздат,1972. -180 с.

9.Гликман А.Г.,  Стародубцев А.А. Решение проблем безопасности при освоении подземного пространства. Жизнь и безопасность, 1997, №2-3, с.152-156.

10.Винник А.М. О метрических связям между элементами кимберлитового поля. Известия вузов, геология и разведка. 1992, №4, с.71-77.