CC BY
53
УДК 551.24
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОЦЕНКЕ РАЗЛОМНО-БЛОКОВЫХ СТРУКТУР УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ (НА ПРИМЕРЕ г. ИРКУТСКА)
© Р.М. Лобацкая1, И.П. Стрельченко2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
В настоящее время геоинформационные технологии только начинают привлекаться для пространственного анализа разрывных нарушений городских территорий. В данной работе возможности ГИС в моделировании разломов и разломно-блоковых структур зон урбанизации, влияющих на устойчивость геологической среды, изучены на примере г. Иркутска. Особое внимание уделено моделированию трехмерной структурно -тектонической основы, обоснована необходимость ее учета при определении раздробленности среды. Новизна представленной в статье модели заключается в учете азимутов и углов падения разломов при моделировании. Проиллюстрированы результаты ключевых этапов методики структурных построений и основные сложности сопряжения поверхностей разломов.
Ил. 6. Табл. 3. Библиогр. 14 назв.
Ключевые слова: 3D-моделирование; разрывные нарушения; разломы; разломно-блоковые структуры; устойчивость геологической среды.
GIS-BASED ANALYSIS OF FAULT PATTERNS IN URBAN AREAS (A CASE STUDY OF IRKUTSK CITY) R.M. Lobatskaya, I.P. Strelchenko
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Nowadays people have just started using geoinformation technologies for dimensional analysis of urban area faults. This paper studies the capabilities of GIS in modeling of faults and fault-block structures located in urban areas and affecting ground stability by example of the city of Irkutsk. The article focuses on the simulation of a 3D-solid model and proves the necessity to consider it under tectonic break determination. The scientific novelty of the introduced 3D-model is in the consideration of azimuths and dips of faults in modeling. The results of the key stages of the modeling method are shown as well as the main difficulties of fault surface connections. 6 figures. 3 tables.14 sources.
Key words: 3D modeling; fault patterns; faults; fault-block structures; ground stability.
Предпосылки для постановки задач
Разломы литосферы - важнейшие из геологических структур, оказывающих влияние на ход большинства геологических процессов и явлений. Они нередко контролируют формирование месторождений полезных ископаемых, влияют на изменение свойств геологической среды под действием техногенных нагрузок в пределах областей интенсивной урбанизации, где возникают серьезные проблемы, связанные с негативным влиянием разломов на эксплуатацию зданий и сооружений [2; 12]. Мощным инструментарием для выделения, картирования и оценки конкретных разломов, разломных зон или разломно-блоковых структур являются постоянно расширяющиеся возможности информационных технологий.
Наиболее востребованы информационные технологии при оценке влияния разломов на изменение геологической среды урбанизированных территорий: специфический геологический комплекс, являющийся результатом сложного взаимодействия естественных
геологических и техногенных процессов и объектов и существенно отличающийся от геологической среды, не затронутой урбанизацией.
Одним из важнейших параметров геологической среды урбанизированных территорий является устойчивость. Под устойчивостью понимается способность геологической среды адаптироваться к циклическим, статическим, динамическим природным и техногенным нагрузкам в течение всего периода существования зданий и сооружений, изменившим ювенильный характер геологической среды [3; 6]. При этом под геологической средой понимается самая верхняя часть земной коры, непосредственно подвергающаяся влиянию урбанизации и изменяющаяся под действием техногенных нагрузок. Обычно мощность геологической среды, которую учитывают при проектировании зданий и сооружений, колеблется от первых десятков до первых сотен метров в зависимости от характера строящихся объектов.
Устойчивость геологической среды зависит от со-
1Лобацкая Раиса Моисеевна, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геммологии Института недропользования, тел.: 89149519693, e-mail: [email protected]
Lobatskaya Raisa, Doctor of Geological and Mineralogical sciences, Professor of the Department of Gemmology of the Institute of Subsurface Resources Management, tel.: 89149519693, e-mail: [email protected]
2Стрельченко Ирина Петровна, аспирант, тел.: 89526323937, e-mail: [email protected] Strelchenko Irina, Postgraduate, tel.: 89526323937, e-mail: [email protected]
вокупности комплекса геолого-геофизических характеристик, определяющих ее исходное качество, и от природно-техногенных нагрузок (физико-механических параметров), которые изменяют это исходное качество. Учет сочетания геолого-геофизических и физико-механических параметров позволяет как реально оценить современное состояние геологической среды, так и прогнозировать поведение в связи с растущими техногенными нагрузками и развитием самопроизвольных процессов деструкции, зарождающихся и протекающих в ней [3; 5; 6].
При анализе исходного качества геологической среды важную роль играют такие параметры, как характер геологического разреза, раздробленность территории разрывными нарушениями, нарушенность экзогенными процессами, степень дифференцирован-ности рельефа, обводненность и жесткость грунтовой толщи и другие параметры, подробно рассмотренные ранее [6]. Проведенный анализ, в который были включены 20 геологических, инженерно-геологических, геофизических и физических параметров, показал, что вклад каждого из них, определяющих качество геологической среды, в суммарный показатель устойчивости резко различен и может быть оценен системой экспертных баллов, а наиболее высокий показатель вклада в нарушение устойчивости вносят разломные структуры.
Влияние наличия/отсутствия разломов на преобразование любых территорий обусловлено общеизвестной ролью участия разломов в геолого-геоморфологических, техногенных и геоэкологических преобразованиях верхней части земной коры [7]. Разломы и связанные с ними тектонические движения приводят к интенсификации экзогенных, эндогенных и техногенных процессов. Возникновение природных и природно-техногенных чрезвычайных ситуаций в зонах разломов увеличивается на 90% по сравнению с сопредельными слабо раздробленными территориями, а геоэкологические последствия ощущаются наиболее остро и катастрофично.
Наличие разлома заметно стимулирует активизацию и рельефоформирующую роль экзогенных процессов. Наиболее мощно сейсмичность (эндогенный процесс) реализуется в зоне разлома: масштаб развития техногенных процессов в зонах разломов как минимум на порядок выше, чем на территориях, не нарушенных разломами. В то же время, техногенное вмешательство в геологическую среду нередко провоцирует или стимулирует разломообразование, о чем свидетельствуют, например, явления индуцированной сейсмичности в районах строительства крупных гидротехнических сооружений в слабо активных регионах [3; 6].
Несмотря на очевидно высокий вклад разломов в нарушение устойчивости геологической среды, в пределах урбанизированных территорий они остаются изученными к настоящему времени лишь фрагментарно. Кроме того, слабо разработаны и приемлемые методы картирования разломов в условиях городских территорий. Слабая изученность разломных и раз-
ломно-блоковых структур городских территорий в значительной степени связана с многозначностью исследуемых параметров, сложностью корреляцонных зависимостей между ними, а также со сложностью их выявления в условиях техногенных ландшафтов.
Очевидно, что для учета связи параметров разрывных нарушений с упомянутыми выше характеристиками геологической среды, геологическими процессами и явлениями необходимо привлечение геоинформационных технологий, их адаптация к задачам, возникающим при изучении специфики этих связей, а возможно, и разработка новых приемов обработки получаемой информации.
Цель данной работы - показать возможности геоинформационных методов для объемного моделирования разломно-блоковых структур с учетом азимутов и углов падения разломов.
Постановка и решение задач, связанных с ролью разломной тектоники в областях современной ураба-низации, весьма разнообразны и рассчитаны на поэтапную, долговременную перспективу. Поэтому задачи данной статьи связаны с выделением и картированием разломно-блоковых структур геоинформационными методами в пределах территории одного конкретного города, а также анализом полученных результатов для оценки возможностей их использования в дальнейших исследованиях.
Исследование предполагало выполнение нескольких задач:
- выбор территории исследования;
- построение двумерной модели разрывных нарушений, их ранжирование;
- создание трехмерной модели тектонических блоков с учетом азимутов и углов падения разломов;
- анализ и применение пространственной модели для создания карты разломно-блоковых структур;
- анализ устойчивости геологической среды города на базе построенной объемно-блоковой модели городской территории.
Фактический материал и геоинформационные методы его обработки
В качестве исследуемой территории был выбран г. Иркутск. Такой выбор обусловлен большим объемом накопленных в результате многолетних исследований полевых материалов.
Разломы на территории города были откартиро-ваны авторами статьи в масштабе 1:25000, достаточном для решения задач, связанных с разработкой геоинформационных технологий при определении параметров устойчивости геологической среды урбанизированных областей [4]. В задачу данного этапа были включены полевые исследования, такие как геологические данные по проходке канав, буровым скважинам и естественным обнажениям, геофизические материалы, полученные при работах по сейсмомикрорайони-рованию, данные полевых маршрутов вкрест простирания предполагаемых разломов, данные космических снимков. По их результатам была создана цифровая карта разломов г. Иркутска и сопредельных территорий, относящихся к зоне урбанизации, в основу кото-
рой положены данные, приведенные в табл. 1.
Геоинформационная технология построения двумерной, а затем и трехмерной модели неотектонических разломно-блоковых структур базировалась на совмещении программ ArcGIS, GlobalMapper и Paradigm Geophysical. Для вынесения разломов на топографическую основу использовалось ПО от компании ESRI (ArcMap10), удобное для создания, визуализации и анализа 2D-картографического материала. Обычно процесс создания карт в геоинформационных системах (ГИС) начинается с формирования базы данных. Для карты разломов города Иркутска, помимо картографических покрытий разломов и разломно-блоковых структур, в базу геоданных включен слой речной сети. Это сделано для большей наглядности и дальнейшего удобства использования электронной карты.
В качестве картографической основы зачастую используют цифровые модели рельефа, которые, помимо прочих удобств обработки, дают возможность для наиболее точной привязки разломов на местности, а нередко позволяют определить их кинематический тип, в некотором роде заменяя операции, проводящиеся при дешифрировании дистанционных снимков, что вполне оправдано, поскольку сами цифровые модели рельефа получают именно при обработке космоснимков.
В нашем случае, поскольку цифровые модели разломно-блоковых структур для территории г. Иркутска отсутствуют, источником исходных данных послужили бумажные карты разломно-блоковых структур, полученные в результате предшествующих полевых исследований. Инструментарий ArcGIS позволил быстро и достаточно точно оцифровать исходные данные и заполнить атрибуты этой группы объектов. Таким образом, было получено линейное картографическое покрытие «разломы», используемое в качестве основы для дальнейшего анализа разрывных нарушений исследуемой урбанизированной территории (рис.
1).
После получения карты разломов г. Иркутска (см. рис. 1) был определен список анализируемых параметров, в который включено выделение разломно-блоковых структур и их ранжирование на мега-, макро-и микроблоки, ориентировки разрывов в целом по территории города и в пределах отдельных мегабло-ков, длины разрывных нарушений, плотность раздробленности блоков разного порядка и ряд характеристик самих блоковых структур.
Для выделения разломов и их ранжирования использовалась концепция классификации количественных данных, основанная на группировании пространственных объектов по их атрибутивным значениям в классы. Существуют разные способы классификации, и выбор конкретного метода зависит от поставленных задач и тематики карты.
Наиболее подходящим для ранжирования разломов в соответствие с задачами данного исследования стал метод заданных интервалов.
Сама технология классификации подразумевает, помимо использования вышеупомянутого метода, выбор и таких критериев, как количество классов и поля атрибутивных значений, по которым будет происходить разделение разломов на группы. Достаточно часто в качестве классификационного критерия разломов используется их длина. Длина позволяет вполне определенно судить о масштабе разрывов, давая таким образом их ранговую оценку [12].
Длина линейного пространственного объекта, в данном случае разлома, - системный параметр, рассчитываемый программой автоматически благодаря тому, что исходная информация пространственно привязана. Для получения длин разломов нужно лишь определить единицы измерения и использовать опцию вычисления геометрии, добавляющую значения в соответствующий атрибутивный столбец атрибутивной таблицы.
Таблица 1
Последовательность создания двумерной модели разрывных нарушений (ArcGIS)
Номер операции Содержание операции
1 Загрузка и координатная привязка топографической карты (растра)
2 Создание базы геоданных, включающей классы линейных объектов для каждого типа разломов, линейного и полигонального слоев речной сети, класса полигональных объектов для разломно-блоковых структур
3 Картирование разломов, нанесенных на растр по полевым данным
4 Заполнение атрибутов (длина разлома, угол и азимут падения разлома, название разлома, реки) линейных слоев (классы объектов, сбросы, взбросы, разломы неопределенного типа, реки)
5 Ранжирование разломов на пять рангов методом классификации количественных данных (с основой в качестве критерия классификации длины разрывных нарушений) с использованием закладки Символы в окне Свойства слоя
6 Выбор цветовой гаммы и толщины для разломов разных рангов с использованием закладки Символы в окне Свойства слоя
7 Компоновка карты разрывных нарушений, создание легенды и экспорт карты в любом растровом формате
Рис. 1. Карта разломов г. Иркутска: 1-5 - сбросы (1 -1 ранг; 2 - II ранг; 3 - III ранг; 4 - IV ранг; 5 - V ранг); 6 - взброс;
7 - разломы неопределенного типа; 8 - Ангара
На основе анализа длин разломов была построена ранговая шкала дизъюнктивных структур г. Иркутска, благодаря которой все разрывные нарушения можно представить в виде единого ряда, состоящего из пяти уровней (рангов разломов): I - <6,7 км; II - 6,812,4 км; III - 12,5 - 18,1 км; IV - 18,2-23,8 км; V - >23,9 км.
Результаты статистического анализа полученных данных показывают, что в целом для территории г. Иркутска наиболее характерными являются разломы III ранга, в то время как разломы меньшей и большей протяженности более редки. Преобладающими про-
стираниями разломов III ранга в свою очередь являются северо-западное (315-320) и широкий веер северо-восточных направлений (10-15, 20, 40, 5060).
К региональным разломам протяженностью более 23,9 км следует отнести близмеридиональный Ангарский и близширотный Иркутно-Ушаковский.
Наиболее значительной разломной структурой регионального ранга является Ангарский разлом. Он отчетливо выражен в рельефе долины Ангары. На расстоянии 2,5 км к северо-западу от Иркута Ангарский разлом разделяется на две ветви, одна из кото-
рых (главная) проходит по правому берегу Ангары, другая - по левому. В современном структурном плане Ангарский разлом пространственно совпадает с грабеном, совпадающим с тектонической долиной Ангары.
В районе устья Иркута Ангарский разлом рассекается и смещается другим региональным, но более молодым Иркутно-Ушаковским разломом. По характеру смещения Иркутно-Ушаковский разлом может быть классифицирован как правый сдвиг. Правосторонний характер смещения подчеркивается изгибом Ангары, совпадающим с устьевыми частями двух притоков Ангары: Иркута и Ушаковки.
Визуализация групп разломов с использованием символов разной толщины и цвета в 2й-модели (см. рис. 1) позволила перейти к выделению ограниченных разломами блоковых структур. Таким образом, карта разломов является исходным ресурсом для построения 3й-модели тектонического строения города. Такая модель служит основой для дальнейшего анализа и ранжирования разломно-блоковых структур.
Построение 3D-моделей разломно-блоковых структур с учетом азимута падения разломов
Попытки построения объемных моделей разлом-но-блоковых структур в последнее десятилетие предпринимаются разными исследователями в связи с решением конкретных задач. Ранее обращались к возможностям 3D-моделирования и авторы данной работы [1; 14; 13].
Необходимо отметить, что разломы на глубину
обычно рассматриваются как вертикально падающие плоскости, что не дает возможности в полной мере охарактеризовать разломно-блоковые структуры. В работе [14] этот недостаток был нивелирован тем обстоятельством, что авторы, определив порядки разломов в 2й-модели, рассчитали и выделили глубинные уровни с разной степенью раздробленности, однако при этом форма блоков на глубину и характер раздробленности каждого блока не принимались во внимание. Между тем наклон разломов имеет важное значение, особенно в случае изучения раздробленности урбанизированных территорий. Следует учесть, что для них в оценке устойчивости геологической среды, представленной, в сущности, приповерхностными блоками, главную роль играют разломы III-V порядков, поскольку более протяженные разломы проникают на большую глубину и на характер устойчивости геологической среды оказывают опосредованное влияние.
Информационная технология построения объемных блоковых структур (табл. 2) создавалась на основе программного обеспечения системы GeoDepth Paradigm Geophysical, широко применяющегося в нефтяных и геофизических компаниях [10]. Необходимыми входными сведениями для системы являются данные о градиентах рельефа и глубине проникновения разломов. В нашем случае в качестве картографической основы использована цифровая модель рельефа GlobalMapper, полученная с помощью радарной топографической съемки.
Таблица 2
Создание трехмерной модели тектонических блоков (GlobalMapper, Paradigm Geophysical)
Номер операции Содержание операции
1 Создание векторного слоя разломов (см. табл. 1)
2 Конвертация векторного слоя разломов в формат *.txt/*.gen (ArcGIS: ArcMap, ArcView)
3 Получение цифровой модели рельефа в нужных координатах с помощью GlobalMapper
4 Импорт полученных данных в систему GeoDepth (Paradigm Geophysical)
5 Наложение на комплекс импортированных данных (ЦМР и векторный слой разломов) сетки (модуль IMap)
6 Поочередное нахождение узлов пересечения разлома с вертикалями сетки (модуль IMap), их фиксирование и переход в модуль Section
7 Определение угла и азимута падения разлома (смотреть в таблице атрибутов слоя в ArcGIS). Вычисление величины смещения пикировки ВС по формуле ВС = АС / tg а, где АС - глубина проникновения разлома; Za- угол падения
8 Пикирование разлома с учетом величины смещения пикировки инструментами рисования (с использованием боковых линеек (модуль Section))
9 Объединение пикировок в Г-поверхность разлома запуском операции Создание Т-поверхности из пикировок (модуль Canvas)
10 Преобразование ЦМР в Г-поверхность запуском операции Преобразование карты в Т-поверхность (модуль Canvas)
11 Составление таблицы доминантных значений разломов в закладке меню Model Building->Dominance Table (модуль Canvas)
12 Согласование Г-поверхностей разломов и ЦМР в соответствии со значениями в доминантной таблице (использование опции меню Model Building->Repair T-surfaces (модуль Canvas))
13 Построение 3D-модели запуском операции меню Model Building->Create solid model
14 Выбор цветовой гаммы для визуализации тектонических блоков разного порядка в закладке GeoDepth Surface Table
Глубина проникновения разлома рассматривалась как уровень, до которого наблюдаются разрыв и/или смещение горных пород, вызванные процессами хрупкого разрушения, квазипластического, пластического и вязкого течения.
Первые расчеты корреляционной зависимости глубины проникновения от длины разломов были выполнены С.И. Шерманом, Р.М. Лобацкой еще в 70-е годы ХХ в. [11]. Тогда было установлено, что для разломов с длиной L 6-20 км отношение глубины их проникновения в земную кору Н пропорционально длине этих разломов и может быть описано как H/L = 1. Десятью годами позже В.И. Саньковым [8] это соотношение было скорректировано с учетом иных длин разломов, и показано, что по мере увеличения длины разлома прирост его глубины пропорционально уменьшается.
При построении 3D-модели первостепенное внимание уделялось разломам III, IV, V рангов, поскольку именно они формируют картину раздробленности верхней части геологического разреза, важной для анализа городской среды. Тем не менее разломы I и II рангов также учитывались для корректного последующего ранжирования блоковых структур.
Исходя из того обстоятельства, что угол падения разломов на территории города, который определялся в процессе полевых исследований, колеблется в интервале 50-70, в качестве априорного был взято среднее значение, равное 60 .
Технология построения объемной неотектонической основы заключается в преобразовании карт и линейных разломов в поверхности и далее - в увязке полученных пространственных моделей в трехмерную основу (см. табл. 2) [9]. Она предполагает одновременное задействование нескольких модулей системы GeoDepth - модулей, работающих с геологической информацией на плане (IMap) и в разрезе (Section) и, собственно, создающего трехмерные модели (Canvas).
Преобразование карт в Г-поверхности осуществляется в модуле Canvas. Важно отметить, что под кар-
той здесь понимается цифровая модель рельефа Global Mapper, а Г-поверхность является результатом 3D-структурирования двухмерных поверхностей. Данная операция выполняется запуском одноименного алгоритма (создание Г-поверхностей из карт) и не требует особых усилий. Основная же работа велась в направлении пикирования линий разломов, объединения их в поверхности и дальнейшего согласования друг с другом.
Смысл пикирования линий разрывных нарушений заключается в их проецировании со смещением на глубину. Пикирование выполняется в двух модулях одновременно - на плане (IMap) и в разрезе (Section). В первом модуле на цифровую модель рельефа Global Mapper с уже наложенным векторным слоем разломов помещается сетка. Расстояние между соседними вертикалями и горизонталями сетки определяется пользователем в зависимости от того, насколько детально должен быть пропикирован разлом. Программа присваивает значение 1 для левой вертикали и нижней горизонтали, и 100 - для правой вертикали и верхней горизонтали.
Суть пикирования заключается в нахождении пересечений разломов с сеткой в модуле IMap. Разломы аппроксимируются серией отрезков, количество которых соответствует количеству пересечений. Результат пикирования и формализации представляется в модуле Section.
Разломы пикируются по очереди. Каждое пересечение линии разлома с вертикалью сетки предполагает переход к ней же, только в модуле Section. Таким образом, мы видим линию рельефа, соответствующего этой вертикали (рис. 2). В качестве точки начала пикирования (отрезка) выбирается соответствующая значению горизонтали в месте выбранного ранее пересечения на плане. В выбранной программе не предусмотрена работа с углами, поэтому авторы для проведения наклонных отрезков воспользовались соотношениями прямоугольного треугольника и свойством накрест лежащих углов (см. рис. 2).
Рис. 2. Схематичное построение пикировки разлома (линия рельефа соответствует значению вертикали на плане, а вершина А - значению горизонтали)
Таким образом, математическая зависимость величины смещения пикировки ВС от глубины проникновения разлома АС и угла наклона его падения Za выражается формулой
АС
ВС = —. tg а
Дальнейшая работа по формированию поверхностей разломов и их согласованию велась в модуле Canvas. Для формирования из полученных пикировок Г-поверхностей достаточно внимательно подобрать
параметры для алгоритма Создание Г-поверхностей из пикировок.
При построении объемной модели разломно-блоковых структур основной сложностью является согласование пересекающихся поверхностей разломов (рис. 3, 4). Обязательным для согласования является составление таблицы доминантных значений (Dominance Table). В таблице каждому разлому присваивалась степень доминирования над другими в зависимости от длины и глубины проникновения.
Рис. 3. Согласование пересекающихся поверхностей разломов. Системные пересечения: а - до редактирования; б - после редактирования
Рис. 4. Согласование пересекающихся поверхностей разломов. Реальные пересечения: а - до редактирования; б, в - в процессе редактирования; г - после редактирования
Физический смысл процедур согласования Г-поверхностей состоит в удалении каких-либо пересечений двух разломов, то есть один разлом должен в результате примыкать к другому, что, собственно, и определяется в таблице доминантных значений.
Существует несколько случаев пересечений. Системные пересечения являются естественными при построении поверхностей разлома по пикировкам (см. рис. 3). В таком случае приоритет отдается более глубинным и, соответственно, протяженным разломам. Алгоритмы модуля Canvas, такие как Extrapolation Repair, Trim, позволяют удалить оказавшуюся лишней часть разлома и добиться полного его примыкания к приоритетному.
мер, Ангарский, на самостоятельные Г-поверхности в местах смещения. Это позволило упростить процедуры их согласования.
Выполнение пикирования и процедур согласования Г-поверхностей позволяет использовать алгоритм построения объемного структурно-тектонического каркаса. При верно выполненной увязке всех Г-поверхностей результатом станет пространственная модель. Она представляет геологическую среду, состоящую из неотектонических блоков разной размерности (рис. 5). Такой структурно-тектонический каркас не позволяет проводить какие-либо расчеты устойчивости, не будучи конвертированным в форматы геоинформационных систем, но практически помогает
а)
б)
]
3
Рис. 5. Объемная модель разломно-блоковых структур: а - прозрачный режим; б - режим «твердая модель» (1 - мегаблоки; 2 - блоки размерности «Б»;
3 - блоки размерности «В»; 4 - разломы)
В случае реального пересечения нескольких разломов (см. рис. 4) приоритет назначается по тем же самым критериям. Затем менее приоритетная поверхность разлома разбивается на самостоятельные Г-поверхности в месте пересечения. Для этого существующие пикировки объединяются не в одну поверхность, а в две с нахлестом в месте пересечения с доминантным разломом. Данные действия приводят к возникновению системных пересечений, которые исправляются по алгоритму, расписанному выше. Таким образом, поверхность основного разлома остается монолитной. Этот же прием используется для работы с разломами, имеющими смещения.
Ввиду того, что тектоническая ситуация на территории города сложная и сеть включает разноазиму-тальнонаправленные разломы, были использованы два приема. В первую очередь наиболее продолжительные, не имеющие смещений и не ограниченные другими разломы признавались доминантными. В нашем случае первостепенным был выбран Иркутно-Ушаковский правый сдвиг. Еще один прием заключался в разбиении крупных разломов, таких, как, напри-
использовать визуализацию как метод представления, выделения и ранжирования разломно-блоковых структур.
Анализ устойчивости геологической среды города
Выделение и ранжирование разломно-блоковых структур осуществляется в ArcMap 10, но базируется на данных, полученных в процессе реализации предыдущей стадии, и определяется следующим принципом: ранг разломно-блоковой структуры соответствует размеру ограничивающих его разломов. Описанная система разломов территории г. Иркутска, представленная разрывными нарушениями V порядков, разбивает территорию на 99 блоков (рис. 6).
По размерам блоков, предварительно проанализированным с помощью простой гистограммы, было выделено две группы: микроблоки с условными размерностями «Б», «В», «Г» и «Д» и мегаблоки с размерностью «А». Самыми мелкими являются микроблоки подгруппы «Д». Их площадь - менее 0,5 км2 Площадь других микроблоков равна соответственно: «Г» - 0,6-5,5 км2; «В» - 5,6-15км2; «Б» - 16-60 км2.
О 0.5 1 2 km Условные обозначения
Si S3 S6 В7 Н8 09
□ 10 □ 11 н 12 H 13 CTH 14 [ЛИЗ 15 ЁШЗ 16 Ш 17
Рис. 6. Карта разломно-блоковых структур: 1-5 - сбросы (1 -1 ранг; 2 - II ранг; 3 - III ранг; 4 - IV ранг; 5 - V ранг); 6 - взброс; 7 - разломы неопределенного типа; 8 - Ангара; 9 - реки; 10-13 - мегаблоки (10 - Топкинский; 11 - Ново-Ленинский; 12 - Правобережный; 13 - Левобережный); 14 - блоки В; 15 - блоки С; 16 - блоки D; 17 - блоки Е
Наиболее важное значение для последующей оценки устойчивости геологической среды города имеют мегаблоки (размерность «А»), ограниченные системами Ангарского и Иркутно-Ушаковского разломов [5]. На территории г. Иркутска можно выделить 4 таких мегаблока (см. рис. 2): северо-западный НовоЛенинский (А«Н»), северо-восточный Топкинский (А«Т»), юго-западный Левобережный (А«Л») и юго-восточный Правобережный (А«П»). Каждый из них имеет размер более 60 км2 и представляет собой совокупность микроблоков разных порядков (размерностей «Б» - «Д»).
Блоков размерности «Б» на территории города выделено 10. Они ограничены относительно крупными разрывными структурами III-IV порядков и включают в себя блоки меньших размерностей, чаще всего «В», реже «Г» и «Д».
В размерной градации «В» выделено 18 блоков, в плане имеющих пластинообразную, реже треугольную или трапециевидную формы и состоящих из более мелких блоков размерности «Г» и «Д».
Блоки размерного порядка «Г» являются самыми распространенными и самыми разнообразными по форме. Их на территории города выделено 56. Среди них чаще всего встречаются прямоугольные, чуть реже изометричные, еще реже треугольные и пластино-образные.
Блоки «Д» - самые небольшие по размеру площадей, встречаются не часто, и при данном масштабе картирования их выделено 11. Они образуются в основном на пересечении крупных разломов, имеют в плане преимущественно треугольную, иногда пластинообразную форму.
Для систематизации разломно-блоковых структур в базе геоданных были созданы полигональные слои, объекты которых характеризуются такими атрибутами, как название, площадь, уровень раздробленности. Сама систематизация проведена методом классификации равных интервалов с учетом формулы Стэр-джеса, необходимой при проведении статистических расчетов подобного рода. При видимой хаотичности их площадей и форм блоковые структуры территории выстраиваются в довольно стройную систему.
При анализе разломно-блоковых структур, как упомянуто при их описании, принимался во внимание не только размер, но и их форма как показательный параметр, отражающий характер разрушения земной коры и зависящий от свойств геологического разреза (тип горных пород и их физико-механические характеристики).
Оказалось, что вне зависимости от размера по форме разломно-блоковые структуры территории г. Иркутска чрезвычайно разнообразны. Здесь встречаются трапециевидные, прямоугольные, треугольные, пластинообразные блоки. Это разнообразие предопределено как свойствами литологической толщи (юрские лагунно-континентальные песчаники мощностью более 1000 м), так и характером нарушенности фундамента, разломы которого трансфомированы в осадочный чехол Сибирской платформы.
В пределах выделенных мегаблоков проявляются индивидуальные черты раздробленности. Блоки отличаются простиранием, количеством и протяженностью пересекающих и ограничивающих разломов. Обобщение фактического материала потребовало статистической обработки, для которой использовались традиционные возможности информационных технологий.
Геоинформационные системы позволяют эффективно вести расчеты значений выбранных атрибутов при наличии входных параметров. Поэтому для расчета уровня раздробленности мегаблоков еще на этапе формирования базы геоданных были указаны такие атрибуты, как положение (ограничивающий, пересекающий блок), ранг для разломов и площадь для раз-ломно-блоковых структур. Встроенный калькулятор ArcGIS дал возможность быстро рассчитать требуемый параметр при условии, что значения указанных атрибутов уже указаны в атрибутивных таблицах слоев.
Так, разрывным нарушениям разных рангов были присвоены разные значения: чем длиннее разлом, тем более крупным значением он был обозначен. Разломам длиной >23,9 км (V ранг) было присвоено значение 5; от 18,2 до 23,8 км (IV ранг) - 4; от 12,5 до 18,1 км (III ранг) - 3; от 6,8 до 12,4 км (II ранг) - 2; менее 6,7 км (I ранг) - 1. Такие значения придавались разлому в том случае, если он ограничивает блок. Если же разлом пересекает блок, вышеназванные значения удваиваются, то есть условные значения ранга для последующих оценок становятся равными 10, 8, 6, 4 и 2. Это обусловлено тем, что площадь зон дробления напрямую связана с длиной разломов. В случае, когда разлом является межблоковой границей, он неизбежно захватывает оба разграниченных им блока, поэтому, когда разлом того же ранга рассекает блок, реальная ширина возникающей зоны дробления целиком принадлежит одному блоку и ее целесообразно удвоить. Общие характеристики разломов и разломно-блоковых структур приведены в табл. 3.
Сравнительный анализ разломно-блоковых структур, необходимый для дальнейших оценок устойчивости геологической среды города, показал, что наименее раздробленным из четырех вышеупомянутых мегаблоков представляется Ново-Ленинский. Плотность разрывов на единицу площади здесь составляет 0,3 у.е./км2.
Ново-Ленинский мегаблок занимает северозападное междуречье Ангары и Иркута. С юга он ограничен Иркутным, с северо-востока - Ангарским разломом. Его площадь - более 100 км2. Внутри этого мегаблока наблюдаются два^ разлома, которые имеют простирание СЗ 330° и СВ 60°.
Самыми распространенными разрывами в данном мегаблоке являются разломы II порядка от 6 до 12 км. Разломы I порядка длиной до 4 км в Ново-Ленинском мегаблоке отсутствуют, что при дальнейших исследованиях должно быть проанализировано специально, поскольку с литолого-петрографических позиций низкий уровень раздробленности этого мегаблока объяснить невозможно. Этот мегаблок, как и три других,
Таблица 3
Характеристика разломов и блоков_
Мегаблок размерности «А» Количество блоков размерности (<^8, «Ю», «й», «£») внутри мегаблока «А» Площадь блока S, км2 Разломы, их ранги г, отношение к блокам* Плотность разрывов р*** Качество геологической среды, усл. ед./км2 [5]
I II III IV V Суммарное значение рангов разломов L**
О П О П О П О П О П
Левобережный B = 2 C = 7 D = 26 E = 3 96 - 20 - 5 - 1 1 - 1 - 75 0,8 52-148
НовоЛенинский B = 2 C = 2 D = 10 E = 1 108 - 4 - 3 - - 1 1 1 - 37 0,3 80-100
Правобережный B = 4 C = 8 D = 14 E = 6 94 - 8 - 4 - 1 1 2 1 - 63 0,7 58-101
Топкинский B = 2 C = 1 D = 6 E = 1 77 - 7 - 1 - - 1 1 1 - 35 0,5 99-110
*О - разломы, ограничивающие мегаблок; П - разломы, пересекающие мегаблок.
** Суммарное значение рангов разломов находится по формуле I = Ео(гп) + Ел(2 гл), где п - количество разломов. *** Плотность разрывов на единицу площади находится по формуле р = ЫБ усл. ед./км2.
представлен горизонтально залегающими мощными толщами юрских песчаников, при этом он характеризуется высокой обводненностью и рядом других неблагоприятных для строительства инженерно-геологических факторов, плохо согласующихся с низким показателем раздробленности.
Топкинский мегаблок отличается вдвое большей степенью раздробленности. Здесь плотность разрывных нарушений на 1 км2 достигает уже 0,5 у.е./км2. Мегаблок ограничен с юго-запада Ангарским, а с юго-юго-востока - Иркутным разломом. Его площадь составляет более 77 км2. Основные направления рассекающих мегаблок разломов преимущественно СВ 4065 , СВ 10 , много реже встречаются разрывные нарушения СЗ 320°.
Левобережный мегаблок располагается в междуречье Иркута и Ангары, с севера ограничен Иркутным, с северо-востока - Ангарским разломом. Плотность разрывных нарушений на 1 км2 составляет около 0,8 у.е./км2. Площадь этого мегаблока - более 96 км2. В Левобережном мегаблоке наиболее распространенными направлениями разломов являются СЗ 315320°, СВ 20-60°.
Правобережный мегаблок с севера ограничен Иркутным, с юго-запада - Ангарским разломами. Плотность разрывных нарушений на 1 км2 составляет около 0,7 у.е./км2. Площадь мегаблока более 94 км2. Правобережный мегаблок мало отличается от левобережного направлениями разрывов. Здесь по-прежнему преобладают СЗ 320 , СВ 40-60 направления разломов, но кроме них появляются и близширот-ные разрывы. Преимущественное количество разломов I порядка характерно как для Правобережного, так и для Левобережного блоков.
Таким образом, наибольшей раздробленностью отличаются южные мегаблоки - Левобережный и Правобережный, средней степенью раздробленности характеризуется северо-восточный Топкинский мегаблок и низкой - северо-западный Ново-Ленинский.
Ранее одним из авторов статьи [5] проводились оценки исходного качества геологической среды блоков категорий «А», «Б» и «В», поскольку они в общих чертах совпадают с теми или иными исторически сложившимися административными образованиями городской застройки (см. рис. 1). На территории Иркутска застройка складывалась в соответствии с геоморфологическими особенностями территории (водоразделы, прибрежные части Ангары и ее притоков, долины мелких водотоков и т.д.), которые в значительной степени повторяют ее тектонические особенности.
Экспертный балл в блоках определялся как сумма неблагоприятных факторов, нарушающих устойчивость геологической среды, таким образом, снижение качества геологической среды обратно пропорционально числовым значениям экспертного балла. Разброс суммарных экспертных оценок колебался в широком диапазоне от весьма низкого (148 экспертных баллов) до весьма высокого (52 экспертных балла). При этом оказалось, что в блоках с высокой устойчивостью, территориально совпадающих с районами Студгородка, Площади Декабристов, внутриблоковые разрывные нарушения и микроблоки (размерной градации «Г» и «Д») отсутствуют (см. рис. 1). В блоках со средней устойчивостью (Академгородок, предместья Рабочее и Марата и др.) зачастую отмечаются локальные внутриблоковые разрывы и микроблоки категорий «Г» и «Д», тем не менее в качестве главных факторов нарушения устойчивости выступают не раз-
ломы, а такие явления, как эрозия, подтопление, про-садочность в лессовидных толщах.
В блоках с низкой степенью устойчивости (заболоченная часть микрорайона Юбилейный, присклоно-вая часть микрорайона Топкинский) широкое развитие получили микроблоки размерной градации «Д», характеризующие в целом высокий уровень раздробленности территории (см. рис. 1). В качестве главного фактора нарушения устойчивости геологической среды здесь выступают активные и погребенные оползни и локальные разломы, их провоцирующие.
Наконец, в блоке с весьма низкой устойчивостью (Ершовский залив) ведущая роль принадлежит региональному (Ангарскому) разлому (см. рис. 1), явившемуся причиной формирования крутосклонной террасы, при техногенной подрезке которой активизировался погребенный оползень.
Вышеизложенное свидетельствует о том, что генетическое качество геологической среды находится в обратной зависимости от уровня раздробленности. Этот вывод в целом не является неожиданным, однако в реальности он справедлив только при анализе состояния микроблоков. В то же время, если обобщенно рассмотреть четыре вышеупомянутых мегаблока категории «А», то связь генетического качества геологической среды с разломами территории г. Иркутска становится уже далеко не столь очевидной. Так, в Ново-Ленинском мегаблоке уровень раздробленности оценен в 0,3 у.е./км2, что должно соответствовать весьма высокому или высокому качеству устойчивости геологической среды, при этом ранее проведенные расчеты дают оценки в интервале 80100 у.е., что соответствует среднему и низкому уровню устойчивости.
В Топкинском мегаблоке при уровне раздробленности 0,5 у.е./км2, что должно стабильно соответствовать среднему качеству устойчивости геологической среды, этот показатель колеблется в интервале 99110 у.е. и отвечает в целом низкому уровню устойчивости. В наиболее раздробленных и, судя по ряду геологических показателей, самых молодых мегабло-ках - Правобережном и Левобережном - уровень раздробленности самый высокий и составляет 0,7 и 0,8 у.е./км2 соответственно, что должно характеризовать эту территорию как область низкого и весьма низкого уровня устойчивости. При этом качество геологической среды в Правобережном мегаблоке составляет 58-101 у.е./км2 и отвечает высокому и среднему уровню устойчивости. В Левобережном мегаблоке эти зна-
чения колеблются в более значительном интервале от 52 до 148 у.е./км2 и свидетельствуют об очень неоднородном качестве геологической среды, которое в одних микроблоках отвечает высокому уровню устойчивости, в других - среднему, в последних - низкому и весьма низкому.
Таким образом, приведенные данные еще раз подтверждают необходимость рассмотрения блоковой структуры не столько в плане, сколько прежде всего в объеме, где разломы выполняют роль границ между участками геологической среды с разным уровнем устойчивости, определяющейся совокупностью факторов, а не только характером раздробленности, как это было принято считать ранее.
Выводы
Геонформационные методы существенно расширяют возможности анализа разломов и разломно-блоковых структур, ускоряют обработку разнородного фактического материала, позволяют на единой картографической основе анализировать и сравнивать полученные данные, усиливает объективность анализируемой информации и полученных выводов.
Проведенный с помощью ГИС-технологии анализ разломно-блоковых структур урбанизированной территории на примере г. Иркутска, с одной стороны, подтверждает мнение о существенном вкладе разрывных нарушений в характеристики генетической поврежденности геологической среды, определяющей ее качество и уровень устойчивость, с другой - свидетельствует о том, что связь качества геологической среды с ее тектонической раздробленностью весьма сложна и далеко не однозначна.
Для получения объективных оценок необходимо создание 3D-моделей геологической среды, для построения которых возможно привлекать новые ГИС-технологии, позволяющие моделировать разломно-блоковые структуры с учетом азимутов падения разломов.
Для анализа трехмерной информации, прогноза геологической ситуации и построения производных карт, то есть тех действий, которые позволяют совершать ГИС-технологии, необходимо конвертировать полученную разломно-блоковую модель в форматы ГИС. Авторами статьи пока не найдено такое решение, тем не менее визуализация геологической среды в виде 3D-модели может служить вспомогательным методом анализа 2D-картографического материала и требует дальнейших исследований.
Статья поступила 23.10.2014 г.
Библиографический список
1. Краснораменская Т.Г. ГИС в решении задач корреляции разломно-блоковых структур и сейсмичности Алтае-Саянской складчатой области: дис. ... канд. геолог.-минеролог. наук. Иркутск, 2008. 151 с.
2. Лобацкая Р.М. Структурная зональность разломов. М: Наука, 1987. 128 с.
3. Лобацкая Р.М., Кофф Г.Л. Разломы литосферы и чрезвычайные ситуации. М.: Изд-во РЭФИА, 1997. 196 с.
4. Лобацкая Р.М. Модели поведения геологической среды урбанизированных территорий // Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий: мат-лы Между-
нар. симпозиума (Екатеринбург, 30 июля - 2 августа 2001 г.). Екатеринбург: Аква-Пресс, 2001. С. 286-291.
5. Лобацкая Р.М., Котлобаева Т.А. Анализ разломно-блоковой тектоники города для оценки устойчивости геологической среды // Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий: мат-лы Междунар. симпозиума (Екатеринбург, 30 июля - 2 августа 2001 г.). Екатеринбург: Аква-Пресс, 2001. С. 275-286.
6. Лобацкая Р.М. Модели поведения геологической среды в условиях природно-техногенных нагрузок // Современные информационные технологии для научных исследований:
мат-лы Всерос. конф. (Магадан, 20-24 апреля 2008 г.). Магадан: Изд-во СВНЦ ДВО РАН, 2008. С. 205-208.
7. Макаров В.П. Эволюционная природа блочной организации геоматериалов и геосред. Универсальный критерий фрактальной делимости // Геология и геофизика. 2007. Т. 48. С. 724-746.
8. Саньков В.А. Глубины проникновения разломов. Новосибирск: Наука, 1989, 136 с.
9. Стрельченко И.П. Построение структурно-тектонической основы для решения интерпретационных задач МОГТ в сейсмогеологических условиях юга Сибирской платформы // Геонауки - 2013. Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований: мат-лы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. уч. В сб. Геонауки -2013. Актуальные проблемы изучения недр. Вып. 13. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. С. 266-270.
10. Трехмерная геологическая модель - необходимый и
обязательный этап изучения нефтегазового месторождения / С.И. Билибин, Т.Ф. Дьяконова, Т.Г. Исакова [и др.] // Недропользование - XXI век. 2007. № 4. С. 38-42.
11. Шерман С.И., Лобацкая Р.М. О корреляционной зависимости между глубиной залегания гипоцентров и длиной разрывов в Байкальской рифтовой зоне // Доклады АН СССР. 1972. Т. 205. № 3. С. 581-583.
12. Шерман С.И. Физические закономерности развития разломов земной коры. Новосибирск: Наука, 1977. 102 с.
13. Building a three dimensional sealed geological model to use in numerical stress analysis software: A case study for a dam site / Nengxiong Xu, Hong Tian, Pinnaduwa H.S.W. Kulatilake, Qingwei Duan // Computers and Geotechnics. 2011. № 38. Р. 1022-1030.
14. Lobatskaya R.M., Krasnoramenskaya T.G. GIS tools for correlation of tectonics and seismisity in the Altay-Sayan area, Russia // Geoscience Frontiers. October, 2010.
УДК 550.34.013.2
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ МИГРАЦИИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ТУРЦИИ
А
© А.В. Новопашина1
Институт земной коры СО РАН,
664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128.
Приведены результаты пространственно-временной развертки параметра суммарной энергии землетрясений Турции инструментального периода 1974-2012 гг., проведенной с целью определения параметров медленных миграций землетрясений (первые километры - первые сотни километров в год). Выявлены последовательности землетрясений на некоторых участках эпицентрального поля, и определена скорость миграции сейсмической активности. Цепочки миграций различны по структуре для разных геодинамических условий. Сделан вывод о связи особенности миграции с вязкостью сейсмоактивной среды. Ил. 2. Библиогр. 20 назв.
Ключевые слова: миграции; землетрясения; сейсмическая активность; Турция; Северо-Анатолийский разлом; эпицентральное поле; скорость.
STUDY RESULTS OF TURKEY SEISMIC ACTIVITY MIGRATION A.V. Novopashina
Institute of the Earth's Crust SB RAS, 128 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.
The paper presents the results of spatiotemporal total energy distribution of earthquakes in Turkey over the period of instrumental recording (from 1974 to 2012) aimed at the determination of slow earthquake migration parameters (first kilometers - first hundreds of kilometers per year). It identifies earthquakes sequences in some parts of the epicentral field and estimates migration velocity of seismic activity. It is noted that migration chains differ in structure for different geodynamic conditions. A conclusion is derived that the features of seismic activity migration correlate with the viscosity of seismically active environment. 2 figures. 20 sources.
Key words: migrations; earthquakes; seismic activity; Turkey; North Anatolian fault; epicentral field; velocity.
Природа явления миграции землетрясений до настоящего времени не определена окончательно, и для ее объяснения существует ряд гипотез. Наиболее распространенной точкой зрения является предположение о волновой природе распространении фронта деформации от очередного сейсмического события в коре, литосфере и нижней мантии, что является триг-герным эффектом для последующих событий, а также суперпозиции таких волн [1-4; 7-9; 14; 15]. Деффор-
мационные волны подразделяют на два основных типа [1; 15]: волны удаленного взаимодействия, распространяющиеся вдоль тектонических поясов или отдельных разломов [8], и волны ближнего взаимо-дейситвия - волны взаимодействия форшоков и аф-тершоков, проходящие в пределах очага сильного землетрясения.
По мнению других исследователей, миграции вызваны перераспределением напряжений (stress
1 Новопашина Анна Владимировна, кандидат геолого-минералогических наук, младший научный сотрудник лаборатории современной геодинамики, тел.: 890501405788, e-mail: [email protected]
Novopashina Anna, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Junior Researcher of the Laboratory of Modern Geodynamics, tel.: 89501405788, e-mail: [email protected]
