Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Интерпретация результатов автоматизированного дешифрирования данных дистанционного зондирования при оценке современной геодинамической обстановки

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Интерпретация результатов автоматизированного дешифрирования данных дистанционного зондирования при оценке современной геодинамической обстановки"

005014560

ИВАНЧЕНКО Галина Николаевна

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ДЕШИФРИРОВАНИЯ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ СОВРЕМЕННОЙ Г ЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

15 ¿012

Москва - 2012

005014560

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте динамики геосфер Российской Академии наук (ИДГ РАН), г. Москва

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Спивак Александр Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Бугаев Евгений Геннадьевич

кандидат

физико-математических наук Лукишов Борис Глебович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится « 5 » апреля 2012 г. в 13 часов на заседании диссертационного Совета Д 002.050.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте динамики геосфер РАН.

Адрес: г. Москва, Ленинский проспект, д. 38, корп.1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИДГ РАН.

Автореферат разослан «£9>> 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

В. А. Рыбаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На современном этапе формирования природно-техногенных систем большое внимание уделяется изучению современной геодинамической обстановки на основе комплексного анализа особенностей строения геолого-геофизического пространства. Такая информация представляет значительный интерес при обосновании выбора площадок под строительство особо ответственных сооружений (АЭС, подземные захоронения радиоактивных отходов, линейные сооружения типа трубопроводного транспорта нефти и газа и т.д.), а также в процессе геодинамического обеспечения долговременной и безопасной их эксплуатации. По-прежнему, актуальными остаются классические проблемы, связанные с выполнением геологического картирования, тектонического районирования и поисков полезных ископаемых.

При анализе геодинамической обстановки применение компьютерных методов дешифрирования изображений, геофизических псевдоизображений, цифровых моделей рельефа и данных лидарных съёмок стимулируется массовым внедрением геоинформационных систем ' для обработки пространственно привязанных данных всех типов и требует непрерывного совершенствования понятийного математического и методического сопровождения таких работ. В полной мере это относится к автоматизированному линеаментному анализу.

В настоящее время существует много методик автоматизированного линеаментного анализа и несколько коммерческих программных продуктов, в том числе, в составе геоинформационных систем. Эти программы часто используют различающиеся алгоритмы обработки изображения и разнятся степенью интерактивности. В этой связи совершенно необходимым представляется параметризация процессов дешифрирования, позволяющая интерпретировать результаты, полученные при обработке изображений, в стандартных терминах строения реальной геолого-геофизической среды.

Особенно важен автоматизированный линеаментный анализ в ситуациях, когда нужна как оперативность, так и повторяемость результатов. Этот метод

также незаменим для анализа структурно-геологических условий труднодоступных и недостаточно изученных районов.

В данной работе рассматривается компьютерный анализ ориентационных свойств текстуры растровых изображений и методы интерпретации полученных результатов на примерах задач, связанных с изучением раздробленности земной коры и массивов горных пород.

Целью настоящей работы является развитие и апробирование методов применения автоматизированного линеаментного анализа и подбора параметров обработки цифровых изображений для решения практических и научных задач описания современной геодинамической обстановки. Основные задачи исследования.

1. Развитие и совершенствование методов интерпретации данных автоматизированного линеаментного анализа, оптимизация параметров интерактивного режима для анализа геодинамической обстановки.

2. Установление закономерностей поверхностных проявлений гетерогенности кристаллического фундамента и осадочного чехла в рельефе и современном ландшафте методами компьютерного дешифрирования.

3. Разработка методических основ практического применения автоматизированного линеаментного анализа для выделения участков концентрации тектонических напряжений, сейсмического и геодинамического районирования.

4. Исследование современной геодинамической активности территорий и оценка возможных геоэкологических последствий техногенного влияния на геолого-геофизическую среду.

Научная новизна:

- существенно доработаны методы интерпретации результатов автоматизированного дешифрирования космических снимков;

- впервые выполнено детальное сопоставление результатов компьютерного анализа линеаментов, линеаментных форм и статистических полей малых линеаментов цифровых изображений исследуемых районов с особенностями

строения геолого-геофизической среды, в том числе напряжённым состоянием массива;

- впервые показано, что рисунок протяженных линеаментов, а также аномалии в статистических полях малых линеаментов (секторная плотность линеаментов, градиенты форм роз-диаграмм, линии вытянутости роз-диаграмм), выделяемых программным пакетом LESSA (Lineament Extraction and Stripe Statistical Analysis) характеризуют тектоническую раздробленность земной коры;

- впервые для исследуемых районов методами компьютерного дешифрирования выполнена детализация границ геологических структур, определены области активизации разрывных нарушений, а также их кинематика в региональных и локальных полях напряжений;

- впервые на основе анализа изменчивости роз-диаграмм линеаментов выделены кольцевые структуры различного генезиса;

- впервые с помощью метода автоматизированного дешифрирования выполнен анализ техногенной нарушенности среды после проведения подземных ядерных взрывов (ПЯВ) на Семипалатинском полигоне.

Практическая значимость. Предложенный подход позволяет эффективно дистанционно исследовать геолого-геофизическую среду, сокращая дорогостоящие и трудоемкие виды наземных исследований. Применение метода дает возможность не только выделять зоны тектонических нарушений, но и детализировать внутреннее строение и кинематику разрывов. Результаты, полученные автором, были использованы в научно-производственных отчетах по обоснованию выбора площадок под строительство (Нижегородская АЭС) и мониторингу геодинамической обстановки районов эксплуатации особо ответственных объектов (Ленинградская АЭС, опреснитель воды в районе Актау).

Использование метода в сейсмоактивных регионах позволяет определить зоны изменения состояния среды и концентрации напряжений, связанных с подготовкой сейсмического события - землетрясения.

Результаты автоматизированного дешифрирования космоснимков ряда участков Семипалатинского полигона использованы для экспертной оценки

геоэкологических последствий проведения ПЯВ. В частности, были выделены преимущественные пути транзита радиоактивно загрязненных подземных вод, сопряженные с разрывными нарушениями, оконтурены области поствзрывных деформаций дневной поверхности. Методика выполненных исследований одобрена Международной Организацией Договора о всеобъемлющем запрещении испытаний ядерного оружия и получила поддержку (г. Вена, Австрия, 2005 г.).

Связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами. Работа выполнена в рамках программы научно-исследовательских работ института, программ 5, 7, 8 ОНЗ РАН, грантов РФФИ (00-05-64281-а, 07-05-00454-а, 08-05-00359-а, 08-05-90013-Бел_а, 10-05-00917-а, 11-05-00871-а), проекта МНЩ К-810 и CRDF RUG2-1714.

Фактический материал и методы исследования. В работе приведены данные обработки космоснимков Landsat (разрешающая способность 28 м), КФА 1000 (8 м), IRS 19 (5 м), Avnir 2 (3-4 м), покрывающих регионы России и Казахстана. Для интерпретации результатов дешифрирования были также использованы результаты кондиционных геологических съемок различных масштабов, аэромагнитной съемки, кадастры буровых скважин, наземные геофизические наблюдения. Исследования выполнены методом автоматизированного линеаментного анализа цифровых космических снимков с применением программного пакета LESSA для выделения и получения статистик угловых (ориентационных) характеристик линеаментов разного размера при интерактивной параметризации программ обработки.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке методики применения автоматизированного линеаментного анализа (в частности, параметризации алгоритмов программного пакета LESSA ), в их апробации для разных тектонических районов и выполнил все работы, связанные с анализом линеаментов, линеаментных форм и сопоставлением полученных результатов с данными геолого-геофизических исследований.

Автором в данной работе обобщены и систематизированы материалы более чем 25-летней практики применения различных модификаций

автоматизированного линеаментного анализа растровых изображений при исследовании и описании геодинамической обстановки. На примерах ряда регионов и для снимков различной разрешающей способности и обзорности выявлены устойчивые, наиболее надежно интерпретируемые характеристики изображения с оптимизацией параметров их получения.

Защищаемые положения:

1. Интерактивная параметризация получения и отбора устойчивых статистических характеристик пространственного распределения малых линеаментов одновременно с интерактивным выделением протяженных линеаментов по алгоритму Хафа позволяют исследовать геодинамическую обстановку в разных тектонических и ландшафтных условиях.

2. Слоисто-блоковое строение земной коры отражается как в структурном рисунке протяженных линеаментов, так и в статистических характеристиках пространственного и ориентационного распределения малых линеаментов и проявляется при автоматизированном дешифрировании космических изображений разной обзорности и разрешающей способности.

3. Линеаменты и линеаментные формы, установленные компьютерным дешифрированием, характеризуют особенности строения разломных зон, их кинематику и некоторые тектонофизические характеристики.

4. Участки проведения мощных подземных взрывов на снимках высокого разрешения выделяются концентрическими аномалиями распределения малых линеаментов. Дополнительно прослеживаются линеаменты, трассирующие разрывные нарушения, определяющие границы развития поствзрывных деформаций поверхности и ответственные за возможное распространение радиоактивно загрязненных подземных вод.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на Международных и Российских конференциях: в Воронеже (2001 г., 2010 г.), Петрозаводске (2002 г., 2008 г.), Архангельске (2004 г., 2009г.), Сыктывкаре (2005г.), Москве (2005 г., 2011 г.), Казани (2007 г.), Боровом (Казахстан, 2004 г.), Курчатове (Казахстан, 2005 г.), Львове (Украина, 2011 г.), на научных семинарах

Ливерморской и Хэмфордской лабораторий (США, 2004 г.), в университете Беркли (США, 2004 г.). Также работа представлялась в Международной Организации Договора о всеобъемлющем запрещении испытаний ядерного оружия в Вене (Австрия, 2005 г.), на 32-й генеральной ассамблее Европейской сейсмологической комиссии в Монпелье (Франция, 2010 г.), на генеральной ассамблее «Международное объединение геодезии и геофизики» в Мельбурне (Австралия, 2011 г.).

Основные результаты диссертационной работы отражены в 48 публикациях.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.ф.-м.н. A.A. Спиваку за постоянное внимание и помощь при выполнении работы; академику РАН В.В. Адушкину, д.ф.-м.н. И.А. Саниной, д.ф.-м.н. Г.Г. Кочаряну, д.г.-м.н. Ю.К. Щукину - за ценные замечания и рекомендации, сотрудникам Лаборатории "региональной геодинамики" к.ф.-м.н. С.Б. Кишкиной, Л.Д. Годуновой. Отдельно хочется поблагодарить к.ф.-м.н. Э.М. Горбунову за многолетнее сотрудничество и неоценимую помощь в работе, к.т.н A.A. Златопольского - разработчика программного пакета LESSA за предоставление различных версий пакета LESSA на апробацию, консультации и дискуссии по любым вопросам использования этой технологии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (110 наименований). Объем работы: 130 страниц машинописного текста, в том числе 40 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определены цели и задачи работы, сформулированы выносимые на защиту положения и новизна полученных результатов.

В первой главе определяются основные принятые в работе термины, рассматривается современное состояние вопроса, даётся краткий аналитический обзор публикаций по теме, описываются существующие программные средства

автоматизированного линеаментного анализа. Определено понятие линеамента как объекта растрового изображения и показано, что интерпретация таких объектов в терминах описания реальной природной среды сложная задача, решаемая индивидуально для конкретных практических случаев. Введено понятие "линеаментные формы", которые представляют собой линии достоверной вытянутости векторов приведенной результирующей длины роз-диаграмм. Эти линии группируются в компактные прямолинейные или плавно изогнутые зоны разной ширины и протяженности.

Параметризация алгоритмов автоматизированного дешифрирования позволяет адаптировать количественные характеристики статистических полей линеаментов к конкретным задачам и территориям. Кратко рассмотрены основные результаты исследований других авторов (Златопольский A.A., Малинников В.А., Серокуров Ю.Н. и др.) в этом направлении. Аналогом предложенного подхода является традиционно применяемый в геологии анализ линеаментов при визуальном дешифрировании (Буш В.А., Макаров В.И., Нечаев Ю.В., Рогожин Е.А., Шварев C.B. и др.). Однако, извлечение векторной информации из первичной растровой картины - это нетривиальная задача, также рассмотренная в обзоре работ по теме.

Детально описано развитие программного комплекса LESSA для автоматизированного линеаментного анализа растровых изображений.

Показано нарастание количества интерактивных параметров по мере апробации программ для изображений разного типа и расширение практических областей применения этого пакета. Рассмотрена применимость автоматизированного дешифрирования для растров разной физической природы и изображений, в том числе и зашумлённых помехами.

Вторая глава посвящена разработке методики автоматизированного линеаментного анализа материалов дистанционного зондирования (МДЗ). Рассматриваются преимущества, сложности и результаты интерпретации полностью растрового подхода к анализу данных дистанционного зондирования. Предлагается анализировать первичные цифровые изображения, автоматически

выявлять ориентационные характеристики рисунка, отказавшись от попыток следования правилам геологического визуального дешифрирования. При этом основное внимание уделяется интерактивной параметризации алгоритмов анализа ориентационных свойств текстуры изображения и интерпретации результатов, как это делается для аномалий геофизических полей, то есть исследуется связь аномалий пространственного распределения линеаментов с геолого-геофизическими особенностями строения территории.

Интерпретация результатов автоматизированного линеаментного анализа в различных геодинамических обстановках для решения научных и практических задач основана на использовании непрерывно модифицирующегося программного пакета LESSA, разработанного A.A. Златопольским в 1983 г. Этот пакет позднее вошел в качестве модуля в широко известную геоинформационную систему ERDAS (США). Соискатель разрабатывал приёмы интерпретации данных и интерактивной параметризации алгоритмов пакета со времени создания базовой версии и для всех её последующих модификаций.

В математическом плане в основе технологии лежат процедуры выделения ориентированных элементов текстуры изображения. Затем к этим элементам (штрихам или малым линеаментам), количество которых очень велико, применяется преобразование Хафа, позволяющее выделять составные протяжённые линеаменты. Технической проблемой является реализация алгоритма для цифровых изображений, но в результате появляется возможность анализировать штрихи в пределах полос, имеющих растровую ширину до 9 пикселей, что при интерпретации позволяет изучать внутреннюю структуру разломных зон, изменяя параметр ширины. Вторым важным интерактивным параметром выделения протяжённых линеаментов является количество угловых секторов штрихов, учитываемых при построении протяжённых линеаментов.

Поле штрихов характеризуется средствами статистики угловых наблюдений, позволяющими корректно описывать пространственное распределение таких штрихов и оценивать достоверность полученных результатов. В первую очередь это параметры, отражающие степень R и направление вытянутости розы (pR, ее

отличие от равномерной розы D, а также степень выраженности определенного

N

направления h{a¡) и размер розы Н = ]T/i(a,).

1=1

Величину и направление вытянутости можно оценить как:

1 /--С " "

R = — Vci2 + cI'9r = arctg -f, где С, = £ A(a,)sin 2а„ С2 /)(«,) cos2а,,

Н С2 í=i ,=i

т.е. отношением векторной суммы векторов розы к их скалярной сумме. Углы удвоены для того, чтобы у равномерной розы-диаграммы сохранить R=0 при О < а, < 180'. Максимальное значение R=1 у розы, состоящей из одного луча. Для оценки достоверности свойств круговых диаграмм (роз-диаграмм) распределения штрихов использовались критерии разделения статистических гипотез равномерного кругового распределения и распределения фон Мизеса (круговое нормальное распределение). Степень отличия розы от равномерной оценивается 1 N

величиной Z> = —£|Л(а,)-Я/Л|. Н ы

При сравнении роз-диаграмм по форме между собой или с некоторой особой стандартной "розой-диаграммой", например, крестообразной, возникает возможность выделять на изображении зоны быстрых изменений формы роз-диаграмм. Характеристика "отличие роз" оказалась весьма полезной при выделении границ блоков (блокоразделов). Алгоритмы содержат значительное количество переменных параметров, поэтому программы, их реализующие, интерактивны, что определяет особое внимание как к подбору параметров (постановке задачи), так и корректной интерпретации результатов. Глава содержит таблицы параметров алгоритмов, входящих в пакет LESSA, и завершается блок-схемой применяемой технологии обработки изображений.

Показано, что параметризация и отбор устойчивых статистических характеристик пространственного распределения малых линеаментов одновременно с интерактивным выделением протяженных линеаментов по алгоритму Хафа позволяют исследовать свойства разломных сетей разных рангов по их образам на растровых изображениях.

и

В третьей главе рассматривается блочное строение центральной части Восточно-Европейской платформы (ВЕП) и её отдельных районов.

В разделе 3.1 выполнен анализ особенностей строения фундамента и осадочного чехла, выраженных в современном ландшафте и рельефе, сформированном на неотектоническом этапе развития территории.

В пределах центральной части ВЕП выделены серии сопряженных линеаментных зон, ориентированных по направлениям ЮЗ-СВ и ЮВ-СЗ, субширотные и субмеридиональные линеаменты имеют подчиненное значение.

Протяженные линеаменты в парагенезисе с линеаментными формами маркируют положение глубинных разломов и зон их динамического влияния, в частности, границ погребенных рифейских авлакогенов. В пределах Воронежского массива протяженные линеаменты и линеаментные формы способствуют выделению структурной зональности, которая прослеживается и в поле плотности малых линеаментов.

Рис.1. Совмещенный план плотности малых Рис.2. Совмещенный план фундамента ВЕП линеаментов и мощности земной коры ВЕП с результатами дешифрирования

(границы блоков: 1 - основные, 2 - второстепенные; 3 - изолинии глубины залегания поверхности Мохоровичича, км; 4, 5 - протяженные линеаменты: 4 - визуальные, 5 - автоматизированные; 6 - линеаментные формы; 7 - кольцевые образования)

Высокая плотность распределения малых линеаментов маркирует положение двух областей глубокого залегания поверхности Мохоровичича (рис.1), что, вероятно, связано с развитием новейших нелокализованных деформаций.

Геодинамически активные районы выражены в изменениях направлений роз-диаграмм малых линеаментов в виде "кольцевых" образований. Субмеридиональная зона протяженных линеаментов трассирует размещение серии четко выраженных и второстепенных кольцевых структур (рис.2).

В разделе 3.2 приведена интерпретация результатов визуального и автоматизированного дешифрирования космических изображений с использованием данных геоморфологического и геолого-геофизического исследований для выделения структурно-вещественно-петрофизических областей (СВПО) в пределах Московского региона и оценки их геодинамической активности.

Отмечается разная выраженность авлакогенов в линеаментных формах в зависимости от их простирания. Общий план линеаментных форм согласуется с простиранием Подмосковного авлакогена, маркируя положение его осевой части и границ. Над Пачелмским авлакогеном ориентировка линеаментных форм северо-восточная, вкрест его основного простирания, подчеркивающая блоковое строение рассматриваемой линейной отрицательной структуры (рис.2).

В разделе 3.3 выполнен анализ глубинной структуры Приокского участка Нелидово-Рязанской шовной зоны (НРШЗ). Кинематически рассматриваемая зона является правосторонним сдвигом (рис.3).

Рис.3. Выраженность блоков и межблоковых зон Приокского участка НРШЗ на фоне схемы плотности малых линеаментов разной направленности: а - субширотное, б - ЮВ-СЗ (1 - блокоразделы)

Блоково-"клавишное" строение Прнокского участка определено при дешифрировании линеаментов субширотной и ЮВ-СЗ ориентации, выражено в мозаичном чередовании максимумов и минимумов по простиранию шовной зоны и подтверждено результатами геоморфологического картирования. В северной и южной морфоструктурах относительно НРШЗ выделены блоки с различной плотностью малых линеаментов. Геодинамическая активность некоторых блокоразделов заверена данными инструментальных наблюдений за микросейсмичностью и эманациями радона (рис.3). •

В разделе 3.4 рассмотрена геодинамическая обстановка района проектируемой площадки Нижегородской АЭС, расположенной в центральной части ВЕП, которая характеризуется незначительными амплитудами, скоростями и градиентами суммарных новейших и современных движений. Развитие тектонических форм в рельефе почти полностью компенсируется экзогенными процессами, но дифференциация роз-диаграмм позволяет выделить морфоструктурные блоки, определить их внутреннее строение, поскольку даже незначительная активность оживляет эрозионные процессы в пределах соответствующих блоков, что отражается в статистике линеаментов.

Межблоковые зоны трассируются протяженными линеаментами. СЗ-ЮВ линеаментная зона, расположенная к востоку от площадки НАЭС, хорошо выражена в рельефе и локализует активизированные экзогенные процессы. Именно к зоне ее динамического влияния приурочены наблюдаемые сейсмические шумы тектонического или обвально-карстового происхождения. Вблизи проектируемой площадки НАЭС установлена корреляция скоплений карстовых форм с линеаментами и их узлами.

Таким образом, выделенные в рельефе линеаменты и линеаментные формы подчеркивают морфологию разновозрастных блоковых и межблоковых структур, проявленных с разной степенью неотектонической активности.

В главе 4 рассматривается применение технологии автоматизированного линеаментного анализа при решении научных и инженерных задач, связанных с построением геодинамических и геомеханических моделей, изучением

напряжённого состояния земной коры и тектонофизических свойств региональных разломов в различных геодинамических условиях.

В разделе 4.1 технология LESS А апробирована на примере сейсмоактивного района - Тункинской ветви Байкальской рифтовой зоны (БРЗ). Проведена компьютерная обработка мозаики космических снимков при их хорошей дешифрируемости и малой зашумлённости изображения техногенными объектами. В статистических полях, характеризующих распределение малых линеаментов, хорошо выражены основные элементы рельефа, впадины и межвпадинные перемычки. Выбранный район позволяет сравнить модели напряжённого состояния, построенные по линеаментным, сейсмологическим и структурно-геологическим данным.

О ш 20 30км FE^I^bFgskRThl 16

Рис.4. Схема автоматизированного дешифрирования Тункинской впадины БРЗ (1 - глубинные разломы, 2 - протяженные линеаменты, 3 - линии вытянутости роз-диаграмм, 4 - ортогональные линиям вытянутости, 5 - внутренние впадины, 6 - эпицентры сильных землетрясений)

О 10 20 30км

Рис.5. Схема линеаментных форм Тункинской впадины БРЗ

В высокоактивной БРЗ положение большинства протяженных линеаментов и линеаментных форм тектонически предопределено. На рис.4 видно преобладание линеаментов субширотного простирания, входящих в сдвиговую зону деструкции, к которой приурочены очаги наиболее сильных землетрясений. На сводной розе-диаграмме протяжённых линеаментов главный луч представляет систему линеаментов субширотной зоны деструкции (континентального «трансформного» разлома), второй по величине луч вытянут вдоль максимальных сжимающих напряжений, третий луч, вероятно, представляет сопряжённую с ним систему сколов.

На рис. 5 показаны линеаментные формы (линии вытянутости роз -диаграмм малых линеаментов). Они хорошо коррелируют с направлениями траекторий растяжения, полученными по методу О.И. Гущенко, и согласуются с определением векторов тектонических сил по сейсмологическим данным. Ортогональные к ним линии соответственно совпадают с траекториями напряжений сжатия.

Совпадение результатов трёх независимых методов означает, что в сейсмически активном районе технология ЬЕБЗА может быть использована для верификации геодинамических моделей региона наряду со структурно-геологическими и сейсмологическими исследованиями напряжённого состояния.

В разделе 4.2 рассмотрен сейсмоактивный район зоны Алтайского (Чуйского) землетрясения (27.09.2003 г.). Прослежена связь между распределением скоростных неоднородностей на глубине, определенных методом сейсмической томографии (И.А. Санина и др., 2005 г.), и рельефообразующими тектоническими деформациями. Установлены сейсмогенные структуры, на которых после основного землетрясения сохранились высокие остаточные напряжения, подтвержденные аномальной афтершоковой активностью.

Выявлена разница плотностей трещиноватости в пределах Чуйской впадины и Чаган-Узунского приподнятого блока, характеризующегося повышенной плотностью трещин З-СЗ - В-ЮВ простирания (рис.6). Отдельные максимумы

связаны с протяжёнными линейными зонами, часть которых входит в структуру Курайского разлома.

Установлено смещение афтершоков на оперяющие блок разрывные нарушения, что косвенно свидетельствует об активизации зоны ЮЗ-СВ простирания, отделяющей Чаган-Узунский блок от Чуйской впадины и согласуется с результатами исследований, проведенных Е.А. Рогожиным в 2002 г. по выделению палеосейсмодислокаций в этом районе. Внутреннее строение этой зоны уточнено при компьютерном дешифрировании, её макрокливажный облик, вероятно, обусловлен сдвиговой кинематикой разломов.

Таким образом, в условиях Алтая активные блокоразделы являются не только структурами, контролирующими локализацию очагов, но и барьерами, ограничивающими очаговые области.

Рис.6. Поле плотности малых линеаментов (субширотной и СЗ-ЮВ ориентации) Чуйской впадины Шкала плотности малых линеаментов

- да?*

1102

(1 - протяженные линеаменты; 2 - область афтершоков Алтайского землетрясения)

В разделе 4.3 на примере региона Западного Казахстана, расположенного восточнее г. Актау, показана применимость технологии ЬЕЗБА к определению геомеханических свойств разломов, входящих в систему трансрегионального Бухарского глубинного разлома. В результате дешифрирования выделены две генерации продольных протяженных зон линеаментов по направлениям относительно Бухарского разлома, с которыми парагенетически связаны молодые складчатые деформации и ортогональные к этим системам поперечные нарушения (рис.7). Наибольшая плотность продольных зон сгущения малых линеаментов З-СЗ простирания прослежена вдоль гор Каратау, характеризующихся формированием молодых складок. З-СЗ линеаменты секут

северо-западные зоны трещиноватости и, соответственно, интерпретируются как омоложенные фрагменты Бухарского разлома.

Рис.7. Схема идентификации разломных зон Актау с определением жесткости разломов (значение нормальной жесткости показано обычным шрифтом, сдвиговой - курсивом)

I 11 Г7Ъ F^h PTÄ14 НЗЪ

(1-3 - структуры Бухарской зоны:

1 - основные ЮВ-СЗ простирания,

2 - ортогональные основной зоны, 3 - растущие антиклинали;

4 - малые линеаменты; 5 - неотектоническая структура)

Участки ветвлений и расширений магистральных линеаментов, входящие в зону локализации деформаций, выражены сгущениями малых линеаментов и интерпретируются как растущие антиклинали. Поперечные нарушения представлены вертикальными сдвиговыми зонами трещиноватости шириной 1-3 км, сегментирующими основные продольные зоны (рис.7).

Важными тектонофизическими характеристиками разломов являются их нормальная и сдвиговая жёсткость, связанные с длиной разломов (L, м) эмпирическими формулами, рассчитанными по методу Кочаряна Г.Г.,

Спивака A.A. (2003 г.), кр « 1.4-Ю10 • Г041 и ks » 1.7-109 -Г041 . Нормальные и

сдвиговые жесткости разломных зон в окрестности Актау составляют kn~ 120-210 МПа/м и ks ~ 15-25 МПа/м соответственно. Предварительная оценка жесткости разломов выполнена для определения условий безопасной эксплуатации опреснителя воды в районе г. Актау.

Таким образом, на примерах сейсмоактивных регионов разного типа (Тункинской ветви БРЗ, Алтая) и зоны влияния трансрегионального Бухарского разлома показано, что протяженные линеаменты и линеаментные формы (линии вытянутости), выделенные по технологии LESSA, характеризуют

SlÄllSl

Jj v sSa ¡¡¡Sfi i

1•-л .-^ik-ÄV; '/еда ¡¡¡¿- ■ ,

fltt - ' . • i

\

f_f У г

геодинамические обстановки в различных регионах, поля тектонических напряжений, особенности строения и кинематику разноранговых дизъюнктивов.

В Главе 5 проведена оценка влияния крупномасштабных экспериментов на геолого-геофизическую среду. Экспертиза участков проведения подземных ядерных взрывов (ПЯВ) Семипалатинского испытательного полигона (СИП) заключалась в выявлении роли разломов в распространении ореолов радиоактивного загрязнения подземных вод. Применение программного пакета LES SA при обработке космоснимков высокого разрешения позволяет уточнить геолого-структурные условия испытательных площадок, ранжировать разрывные нарушения по степени выраженности в ландшафте, оконтурить зоны поствзрывных деформаций дневной поверхности.

В разделе 5.1 выполнен анализ зон трещиноватости и блочного строения массива Дегелен СИП. Рассматриваемый массив выделяется в рельефе в виде эрозионно-расчленённого куполовидного поднятия. Горизонтальные выработки, в которых проводились ПЯВ, пройдены в области распространения практически безводных пород. Но в ряде штолен были зафиксированы водопроявления в виде струйного высачивания, свидетельствующие о вскрытии гидрогеологически активных разломов.

Привлечение программного пакета LESSA позволило охарактеризовать соотношение трещин различного ранга и простирания разновозрастных пород (рис.8). Так, плотность линеаментов северо-западного направления в интрузивном массиве меньше по сравнению с полем плотности вмещающих эффузивно-осадочных пород. Плотность линеаментов северо-восточного и субширотного простираний в массиве выше, чем в окружающих породах, что, вероятно, связано с активностью этих структур в современном поле напряжений (рис.9).

Сгущение линеаментов северо-восточного направления маркирует контакт интрузивного образования. Горные выработки с постоянными водотоками расположены в зонах повышенной плотности малых линеаментов внутри массива и приурочены к участкам резкого изменения характера трещиноватости пород, сопряженных с близостью магматического контакта.

Рис.8. Протяженные линеаменты, Рис.9. Поле плотности малых линеаментов

выделенные на основе изменения субширотной ориентации

параметра выраженности в алгоритме Хафа

(1 - контур массива Дегелен; 2 - штольни с постоянными водопроявлениями) Плотность линеаментов субширотного простирания повышена в пределах всего массива и наиболее значимо выражена на юге и юго-востоке. В южной части выделяется сквозная система линеаментов субширотного направления, прослеживающаяся и в окружающих интрузию породах (рис.9). Именно эта серия дизъюнктивов, дренируемая рядом горных выработок, является гидрогеологически активной и способствует миграции радионуклидов за пределы испытательной площадки Дегелен.

В разделе 5.2 выполнен анализ поствзрывных деформаций поверхности на участках проведения ПЯВ, выраженных в аномалиях полей плотности и структурном рисунке линеаментов.

В районе расположения скважин 1226 и 1388 выявлены аномалии в поле плотностей непротяженных линеаментов, совпадающие с полем развития техногенно-перепланированных зон, установленных по визуальному анализу текстурных признаков. Последовательное рассмотрение полей плотностей линеаментов различного направления указывает на преобладание трещин

субширотного и В-СВ простирания в формировании аномалии на участке проведения ПЯВ в скважине 1226 (рис.10).

Рис.10. Схема плотностей малых линеаментов

В-СВ - З-ЮЗ простирания участка расположения скважины 1226 Шкала плотности малых линеаментов max min

Концентрическая аномалия имеет минимальные значения плотности линеаментов в эпицентре взрыва, где поствзрывная трещиноватость пород наиболее высока. Это отмечается минимумом в центре аномалии из-за малых размеров новообразованных трещин по сравнению с разрешающей способностью снимка. Кольцевая зона высоких значений плотностей непротяжённых линеаментов на периферии аномалии хорошо регистрируется при автоматическом дешифрировании и косвенно подтверждает формирование воронки проседания над гипоцентром взрыва.

В районе расположения скважины 1388 прослежена система трещиноватости, активизированная при проведении ПЯВ в скважине 1353, которая является западной границей распространения поствзрывных деформаций от экспериментальной скважины 1388. Техногенные формы рельефа представлены рядом протяженных валов и бугров пучения, сопровождаемых воронками проседания и протяженными трещинами с извилистыми очертаниями. Проведено зонирование участка по степени техногенной нарушенности дневной поверхности.

Показано, что поствзрывные деформации выражаются в рисунке протяжённых линеаментов и поле плотности малых линеаментов, косвенно свидетельствуя о техногенном изменении участка проведения крупномасштабных взрывов.

В заключении приведены основные выводы по всей диссертационной работе. Результаты работы могут быть кратко сформулированы следующим образом:

1. Программный комплекс «ЬЕББА» обладает большой вариативностью параметров интерактивного выделения и пространственного анализа линейных элементов изображения, что позволяет подбирать параметры выделения объектов в соответствии с поставленными геолого-геофизическими задачами и строго контролировать их масштабный уровень.

2. Интерпретация особенностей выраженности протяжённых линеаментов и линеаментных форм платформенных, складчатых и рифтовых областей по данным автоматизированного линеаментного анализа позволяет определить роль эндогенной, экзогенной и техногенной составляющих в формировании морфоструктур в различных геодинамических обстановках, подтвердить блоковую делимость земной коры, уточнить внутреннюю структуру блоков и межблоковых зон.

3. На примере ВЕП показано, что протяженные линеаменты и линеаментные формы маркируют выраженные в ландшафте структуры фундамента (в т.ч. рифейские авлакогены), транслируемые через осадочный чехол. Линии вытянутости осей роз-диаграмм (линеаментные формы) отражают проявленную на поверхности вещественно-структурную, реологическую и геофизическую анизотропию свойств геологической среды в современном поле напряжений.

4. "Кольцевые" образования ВЕП, выявленные по характеру изменений роз-диаграмм малых линеаментов, тяготеют к пересечениям зон динамического влияния глубинных разломов, к участкам изменения ориентировки региональных разломов и повышения интенсивности пликативных деформаций осадочного чехла.

5. Анализ рисунка линеаментов, линеаментных форм и угловых характеристик пространственного распределения малых линеаментов способствует выделению потенциально сейсмоактивных структур и некоторых особенностей современного напряжённого состояния земной коры.

6. Линеаментный анализ поствзрывных деформаций дневной поверхности согласуется с результатами наземных исследований состояния массива после крупномасштабного воздействия на геологическую среду. Концентрические аномалии поля плотности малых линеаментов по разным направлениям соответствуют областям развития поствзрывных деформаций.

7. Протяженные линеаменты и зоны повышенных значений плотности малых линеаментов трассируют зоны трещиноватости определенной ориентировки. Часть из них активизирована в поле современных напряжений и может рассматриваться в качестве вероятных путей миграции продуктов техногенного загрязнения с подземными водами.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Короновский Н.В., Златопольский A.A., Иванченко Г.Н. Автоматизированное дешифрирование космических снимков с целью структурного анализа // Исследование Земли из космоса. М. 1986. №1. С. 111-118.

2. Кочарян Г.Г., Гамбурцева Н.Г., Санина И.А., Данилова Т.В., Нестеркина М.А., Горбунова

3.М., Иванченко Г.Н. Временные вариации характеристик локальных участков земной коры по данным сейсмических наблюдений // Физика Земли. 2011. № 4. С.58-66.

3. Иванченко Г.Н. Картирование протяженных (региональных) линеаментов по дистанционным материалам // В сб. Структурно-геоморфологические исследования М.: ИФЗ АН СССР. 1991. С.131-140.

4. Спунгин В.Г., Дубиня В.А., Иванченко Г.Н. Экспрессная диагностика структуры и геодинамика массива горных пород на основе анализа микросейсмических колебаний // Вулканология и сейсмология. М. 1997. № 6. С.42-50.

5. Малкин Б.В., Иванченко Г.Н. О возможности приложения теории пластического разрушения к анализу структуры и сейсмичности срединно-океанических хребтов II Океанология. T.XXIII. Вып.6. 1983. С.27-37.

6. Иванченко Г.Н. Морфотектонический и линеаментный анализ территории, прилегающей к Ленинградской АЭС // Динамические процессы в геосферах. Сб. научных трудов ИДГ РАН. М. 2010. С. 124-131

7. Иванченко Г.Н. Оценка вертикальной амплитуды нелокализованных деформаций центральной части Восточно-Европейской платформы // Физические поля и динамика взаимодействующих геосфер. Сб. научных трудов ИДГ РАН. М. 2007. С.47-57.

8. Иванченко Г.Н. Оценка неотектонической активности Приокского участка Нелидово-Рязанской шовной зоны по геоморфологическим признакам // Динамические процессы в

системе внутренних и внешних взаимодействующих геосфер. Сб. научных трудов ИДГ РАН. М. 2005. С.126-134.

9. Иванченко Г.Н. Применение автоматизированного дешифрирования космических снимков при сейсмических исследованиях // В сб. Структурно-геоморфологические исследования проявлений сейсмичности. М.: ИФЗ АН СССР. Наука. 1987. С.49-59.

10. Иванченко Г.Н. Связь сейсмичности с конфигурацией морфосгруктур на примере Тянь-Шаня // В сб. Неотектонические исследования и сейсмотектоника. М.: Наука. 1985. С.64-85.

11. Иванченко Г.Н., Горбунова Э.М. Морфосгруктуры и геодинамическая обстановка как факторы, влияющие на геолого-геофизические параметры среды // Проблемы взаимодействующих геосфер. Сб. научных трудов ИДГ РАН. М.: ГЕОС. 2009. С.116-123.

12. Иванченко Т.Н., Соловьев С.П., Локтев Д.Н. Комплексные исследования активности тектонических нарушений в зоне Тункинской рифтовой впадины // Проблемы взаимодействующих геосфер. Сб. научных трудов ИДГ РАН. М.: ГЕОС. 2009. C.I23-130.

13. Иванченко Г.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В., Чигарев Н.В. Проблемы дешифрирования геологических структур с применением сейсмоакустик как форм // В сб. Структурно-геоморфологические исследования проявлений сейсмичности. М.: ИФЗ АН СССР. Наука. 1987. С.73-84.

14. Иванченко Г.Н., Чигарев Н.В. Использование методов автоматизированного линеаментного анализа при сейсмических исследованиях (на примере Памиро-Алая) // Автоматизированный анализ природных линеаментных систем. Л.: ВСЕГЕИ. 1988. С. 76-84.

15. Макаров В.И., Горбунова Э.М., Иванченко Г.Н., Щукин Ю.К. Современная геодинамика центральной части Русской плиты (Окско-Московское междуречье) // "Структура, свойства, динамика и минерагения литосферы Восточно-Европейской платформы". XVI международная конференция. Воронеж, 20-25 сентября 2010 г. Воронеж: Научная книга. 2010. Т.П. С.39-43.

16. Санина И.А., Усольцева О.А., Иванченко Г.Н., Еманов А.Ф. Модель глубинного строения зоны Чуйского землетрясения по данным сейсмической томографии и дистанционного зондирования // Динамические процессы в системе внутренних и внешних взаимодействующих геосфер. Сб. научных трудов ИДГ РАН. М. 2005. С.64-70.

17. Спивак А.А., Иванченко Г.Н., Кшпкина С.Б. и др. Первые результаты исследований геодинамического состояния Приокского участка Нелидово-Рязанской тектонической структуры // Геофизические процессы в нижних и верхних оболочках Земли. Сб. научных трудов ИДГ РАН. М. 2003. Кн.1. С. 108-119.

18. Ivanchenko G.N, Gorbunova Е. M. A detailed examination of the structural and geological conditions at the locations of higb risk objects //2011 International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) General Assembly. 28 June - 7 July 2011. Melbourne. Australie (electronic version).

19. I.Sanina, G.Kocharyan, N.Gamburtseva, T.Danilova, M.Nesterkina, E.Gorbunova, G.Ivanchenko. Rôle of faults in earth crust local parcels time variations by seismic observations data // European Seismological Commission. 32nd General Assembly. September 6-10, Montpellier. France. 2010. PP.254.

Подписано в печать: 27.02.2012 Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 59 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г Москва, Страстной бульвар, д 6, стр 1 (495)978-43-34; vvmv.reglet.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Иванченко, Галина Николаевна, Москва

61 12-1/598

' г

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт динамики геосфер Российской Академии наук

На правах рукописи

Иванченко Галина Николаевна

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ДЕШИФРИРОВАНИЯ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ СОВРЕМЕННОЙ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ

Специальность 25.00.10 «Геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук профессор А.А. Спивак

Москва-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 14

Раздел 1.1. Классический линеаментный анализ 14

Раздел 1.2. Автоматизированный линеаментный анализ 18

Раздел 1.3. Модификации и применение программного пакета LES SA 21

Выводы к главе 1 27

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ, РЕАЛИЗУЕМАЯ

ПРИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ 28

Раздел 2.1. Принципы выделения текстурных элементов - малых 29 линеаментов

Раздел 2.2. Статистика угловых наблюдений линейных элементов

аэрокосмических изображений 33

Раздел 2.3. Протяженные ориентированные выборки линеаментов 40

Выводы к главе 2 48

ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ СЛОИСТО-БЛОКОВОГО СТРОЕНИЯ

ЗЕМНОЙ КОРЫ, ПРОСЛЕЖЕННАЯ В ЛИНЕАМЕНТНОМ

РИСУНКЕ И СТАТИСТИЧЕСКИХ ПОЛЯХ МАЛЫХ 49

ЛИНЕАМЕНТОВ

Раздел 3.1. Анализ линеаментного рисунка центральной части ВЕП 51

Раздел 3.2. Выраженность структурно-вещественных неоднородностей

фундамента 57

Раздел 3.3. Особенности внутреннего строения межблоковой зоны 61

Раздел 3.4. Характеристика морфоструктурных блоков 66

Выводы к главе 3 71

ГЛАВА 4. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

СЕЙСМОГЕННЫХ СТРУКТУР В СЕЙСМИЧЕСКИХ ПОЯСАХ

ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ 73

Раздел 4.1. Анализ напряженного состояния южного фланга

Байкальской рифтовой зоны 73

Раздел 4.2. Исследование сейсмогенных структур

зоны Алтайского землетрясения 84

Раздел 4.3. Определение жесткости разломных зон,

сопровождающих трансрегиональный Бухарский разлом 93

Выводы к главе 4 99

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ТЕХНОГЕННОГО ВЛИЯНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКУЮ СРЕДУ 101

Раздел 5.1. Выделение зон преимущественной трещиноватости

массива горных пород 101

Раздел 5.2. Анализ поствзрывных деформаций дневной поверхности 107

Выводы к главе 5 114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

118

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе формирования природно-техногенных систем большое внимание уделяется изучению современной геодинамической обстановки на основе комплексного анализа особенностей строения геолого-геофизического пространства. Такая информация используется при обосновании выбора площадок под строительство особо ответственных сооружений (АЭС, подземные захоронения радиоактивных отходов, линейные сооружения типа трубопроводного транспорта нефти и газа и т.д.), а также в процессе геодинамического обеспечения долговременной и безопасной их эксплуатации.

При анализе геодинамической обстановки применение компьютерных методов дешифрирования изображений, геофизических псевдоизображений, цифровых моделей рельефа и данных лидарных съёмок стимулируется массовым внедрением геоинформационных систем для обработки пространственно привязанных данных всех типов и требует непрерывного совершенствования понятийного математического и методического сопровождения таких работ. В полной мере это относится к автоматизированному линеаментному анализу.

В настоящее время существует несколько коммерческих программных продуктов автоматизированного линеаментного анализа, в том числе, в составе геоинформационных систем. Эти программы часто используют различающиеся алгоритмы обработки изображения и разнятся степенью интерактивности. В этой связи совершенно необходимым представляется параметризация процессов дешифрирования, позволяющая интерпретировать результаты, полученные при обработке изображений, в стандартных терминах строения реальной геолого-геофизической среды.

В данной работе рассматривается исследование рисунка (текстуры) растровых изображений (точнее, только ориентационных свойств рисунка) для

решения научных и прикладных задач, связанных с изучением тектонической раздробленности земной коры и массивов горных пород в различных современных геодинамических обстановках.

Целью настоящей работы является развитие и апробирование методов применения автоматизированного линеаментного анализа и подбора параметров обработки цифровых изображений для решения практических и научных задач описания современной геодинамической обстановки. Эти исследования проводились соискателем для изображений с различной разрешающей способностью и для самых разных ландшафтных и тектонических условий.

Требование к изучению тектонической активности (в т.ч. и к сейсмической) или стабильности территорий включено в нормативные документы обоснования площадок ответственных инженерных объектов (атомные электростанции, полигоны захоронения опасных отходов и др.) и, соответственно, предопределяет практическую значимость и актуальность проблемы исследования современной геодинамической обстановки. Также по-прежнему важными и требующими автоматизации остаются классические проблемы линеаментного анализа, связанные с выполнением геологического картирования, тектонического и сейсмотектонического районирования, поисков полезных ископаемых, эксплуатации нефтегазоносных полей.

Важным преимуществом компьютерных методов перед визуальным дешифрированием является работа на пределе разрешения растра (т.е. без субъективной генерализации дешифровщика), фиксация параметров работы программ при ^ ясном понимании влияния этих параметров на конечный результат, повторяемость результатов, меньшая зависимость от субъективных взглядов экспертов, сводимых к интерактивному подбору параметров. При этом индивидуальность экспертной оценки не исчезает, но формализуется.

В наибольшей степени предложенный подход схож с традиционным в геологии анализом линеаментов, при котором эксперт выявляет

прямолинейные фрагменты рисунка, связанные с тектоникой, и затем либо статистически в скользящем окне анализирует распределение этих мелких линеаментов по направлению, либо выявляет протяженные линеаменты. Например, такая технология предложена в Институте Физики Земли РАН Ю.В. Нечаевым [ 62 ] для иследования тектонической раздробленности и её иерархических и глубинных уровней. Существуют программы в разной степени автоматизирующие анализ пространственного распределения линеаментов, выделенных вручную и присутствующих в геоинформационных системах в векторном виде. Компьютерное дешифрирование имеет внеконтекстный характер, при выделении объектов учитываются только свойства изображения, а не общее знание ситуации, обычно используемое при визуальном дешифрировании. В этих обстоятельствах экспертное знание при автоматизированном линеаментном анализе смещается в область выбора подходящих исходных изображений, подбора параметров программ и привлечения внешних баз данных, то есть интерпретация результатов автоматизированного дешифрирования становится нетривиальной задачей.

В данной работе рассматриваются преимущества, сложности и результаты интерпретации полностью растрового подхода к анализу данных дистанционного зондирования. При этом основное внимание уделяется интерактивной параметризации алгоритмов анализа ориентационных свойств текстуры изображения и интерпретации результатов в той же стилистике, как это делается для аномалий геофизических полей, исследуется связь аномалий пространственного распределения линеаментов с геолого-геофизическими особенностями строения территории, известными из внешних данных, выбранных экспертом.

Интерпретация результатов автоматизированного линеаментного анализа в различных геодинамических обстановках и для решения разных прикладных задач основана на использовании непрерывно модифицирующегося программного пакета LESSA (Lineament Extraction and Stripe Statistical

Analysis), разработанного A.A. Златопольским в ГНПП «Аэрогеология» в 1983г. (первая публикация 1985 г.) [ 29 - 31 ]. Этот программный продукт позднее был включён в качестве модуля в широко известную геоинформационную систему, ориентированную на обработку данных дистанционного зондирования -ERDAS (США) и в настоящее время является наиболее распространённым и хорошо тестированным коммерческим продуктом специализированного линеаментного анализа растровых изображений [ 109, 110].

Соискатель разрабатывал приёмы геолого-геофизической интерпретации результатов и интерактивной параметризации алгоритмов этого пакета в течение 25 лет с 1986 г., практически со времени его создания и для всех последующих модификаций. Автором существенно доработаны методы интерпретации результатов автоматизированного дешифрирования космических снимков, впервые выполнено детальное сопоставление результатов компьютерного анализа линеаментов, линеаментных форм и статистических полей малых линеаментов цифровых изображений исследуемых районов с особенностями строения геолого-геофизической среды, в том числе напряжённым состоянием массива.

Состояние основных направлений исследований, связанных с визуальным и компьютерным дешифрированием, описание существующих программных средств автоматизированного линеаментного анализа приведено в Главе 1. Здесь же изложены результаты исследований, выполненных диссертантом, с выделением новых теоретических и практических разработок применительно к использованию программного пакета LESSA в различных геодинамических обстановках.

В математическом плане в основе технологии лежит преобразование Hough (Хаф в русской транскрипции), позволяющее выделять протяжённые линеаменты [ 101, 105 ], и принципы статистики угловых наблюдений [ 59, 88], которые используются для корректного описания пространственного распределения малых ориентированных линейных элементов и оценки

достоверности полученных результатов. Алгоритмы содержат значительное количество переменных параметров, поэтому программы, их реализующие, интерактивны, что определяет особое внимание как к подбору параметров, так и корректной интерпретации результатов. Эти вопросы рассматриваются в Главе 2 и на конкретных практических примерах в других главах.

Отдельным вопросом является соответствие линеаментов реальным геологическим разломам, тектоническим трещинам и зонам их сгущения. Эта проблема актуальна как для автоматизированного, так и визуального дешифрирования, в последнем случае ей посвящена обширная литература. Этот вопрос рассматривался как для различных геодинамических обстановок, так и для изображений различной разрешающей способности и, соответственно, пространственного охвата (масштаба). Результаты исследований показали с одной стороны наличие четких корреляций между значительной частью линеаментов, выделенных автоматически, и реальными геологическими разломами, а с другой стороны отмечается прирост новой информации о тектонической структуре исследуемых регионов.

Определённой сложностью использования автоматизированного дешифрирования является высокая зашумлённость космоизображений многих регионов линейными объектами антропогенного характера (дороги, границы полей, каналы, трубопроводы и др.). Но при доле указанных объектов менее 30% от общей массы автоматически определяемых малых линеаментов статистические закономерности геолого-структурной обстановки достаточно уверенно выделяются при использовании наиболее устойчивых к шумам характеристик и параметров обработки. Выявление таких параметров выполнялось поэтапным снижением генерализации от регионального уровня к локальному с использованием космических снимков с различной разрешающей способностью и обзорностью для территории Восточно-Европейской платформы (ВЕП) и входящих в ее состав районов и изложено в Главе 3.

В частности, для снимков регионального охвата показана связь наиболее устойчивых характеристик угловой статистики со строением фундамента платформы и мощностью земной коры. Причём это относится не только к линейным объектам, но и к изометричным структурам, выявляемым при изучении изменчивости роз-диаграмм в виде кольцевых структур [21,51, 77 J.

Для регионов с хорошей корреляцией линеаментов и тектонических разрывных нарушений (обычно это неотектонически активные регионы с явным преобладанием естественных ландшафтов) технология LESSA позволяет:

- уточнять наличие и положение систем трещиноватости, выделенных при интерпретации традиционными методами геолого-геофизических материалов;

- извлекать дополнительную информацию о генезисе и кинематике разрывных нарушений и современной reo динамической обстановке;

- получать некоторые характеристики напряжённого состояния литосферы и выявлять локальные области концентрации напряжений и деформаций, в том числе для сейсмоактивных разломов.

При правильном подборе разрешающей способности снимков и параметров компьютерной программы по статистическим угловым характеристикам можно оценить степень упорядоченности тектонических нарушений и выделить зоны локализации деформаций различного ранга. Полученные данные используются для анализа современной геодинамической обстановки в сейсмоактивных регионах, в которых связь линеаментов с современным напряженным состоянием литосферы наиболее отчетлива и, отчасти, проверяема сейсмологическими методами.

Впервые это было сделано автором для выделения сейсмотектонических блоков Памиро-Алтайского района Средней Азии в 1985 г. [ 39 ]. Такое направление интерпретации данных автоматизированного линеаментного анализа развивалось далее и проиллюстрировано в Главе 4 данной работы на примерах районов Тункинской ветви Байкальской рифтовой зоны и Чуйского

землетрясения в Горном Алтае. Для сейсмоактивного района Чуйского землетрясения прослежена связь между распределением скоростных

о W w

неоднородностеи на глубине, определенных методом сеисмическои томографии [ 75 ], и рельефообразующими тектоническими деформациями. Выделены сейсмогенные структуры, в пределах которых ранее фиксировались палеосейсмодислокации [ 71 ], и после основного землетрясения сохранились остаточные напряжения, выраженные в рое афтершоков.

На основе интерпретации результатов применения LES SA были получены разнообразные статистические характеристики пространственного распределения малых линеаментов, среди которых распределение плотностей по направлениям (роза-диаграмма) в скользящем окне. Прямая связь роз-диаграмм одновозрастных трещин с напряженным состоянием используется при реконструкциях напряженного состояния.

В главе 4 также рассматриваются геомеханические и тектонофизические свойства разломов на примере трансрегиональной Бухарской структуры, для которой определены нормальная и сдвиговая жесткости дизъюнктивов, входящих в состав сложнопостроенной зоны.

Компьтерное дешифрирование и статистический анализ непротяженных линеаментов на космоснимках высокого разрешения посредством специализированного программного комплекса LES SA использованы для изучения состояния геологической среды не только в естественных, но и в техногенно-нарушенных условиях. В частности, это позволило автору на примере ряда объектов Семипалатинского полигона в Главе 5 параметризовать программный пакет для регистрации и градации зон поствзрывных деформаций, фиксируемых на дневной поверхности. Проведенный линеаментный анализ дневной поверхности согласуется с результатами экспериментальных комплексных геолого-геофизических и

гидрогеологических исследований по изучению состояния массива после крупномасштабного воздействия на геологическую среду.

Анализ текстуры изображения и линеаментов различной протяжённости и выраженности актуален при организации и проведении геодинамического и радиационного мониторинга объектов повышенного риска (участков захоронения радиоактивных отходов, площадок атомных электростанций). Программный пакет ЬЕ58А используется также для уточнения пространственного положения, строения и состояния зон влияния разрывных нарушений, ответственных за распространение радионуклидов с подземными водами на примере интрузивного массива Дегелен Семипалатинского полигона (Глава 5).

Методика ЬЕ&&4 апробирована автором применительно к различным структурно-геологическим условиям. На рисунке 1 представлена картограмма районов исследований, для которых автором выполнено компьютерное дешифрирование космоснимков и выделены основные закономерности выраженности геодинамической обстановки в линеаментном рису�