Геодезия

МУЛТИСЕНЗОРНО ЛОКАЛИЗИРАНЕ НА ПЕЩЕРИ

Таня Славова, Атанас Русев

В основата на силния изследователски интерес към локализирането на кухини, зародил се преди повече от половин век и с непрекъснато нарастваща популярност, стоят проблеми от най-различно естество. Основните направления, за които решаването на тази задача е от особена важност, са свързани с водоснабдяване, инженерните приложения (земни пропадания, течове на резервоари и тунели, неравна скална основа, изолация на складове за отпадъци), земеустройство. Въпреки тяхната значимост, геолозите смятат, че до момента е разкрита едва малка част от тях. Изследването им, реализирано предимно от спелеолози, е времеемко мероприятие, основано преди всичко на техния опит да откриват пещерните входове на земната повърхност и несигурната оценка на потенциала им за развитие в дълбочина. Авторите на тези статия представят комбинация от геофизични техники за по-лесни и ефективни наземни изследвания, които да посрещнат предизвикателствата на комплексната карстова среда.

Въведение

Десетилетия наред геофизиката намира широко приложение за характеризиране на геоложки условия, установяване на природни ресурси, както и за оптимизиране на сондажни дейности. Същността на геофизичните методи се заключава в изучаване на земните недра с помощта на физическите закони, като на повърхността на Земята или в близост до нея се извършват измервания, резултатите от които са повлияни от разпределението на различни физични параметри в дълбочина. В случая на конкретното изследване основен интерес представлява локалното изменение на изследвания параметър спрямо някаква фонова стойност. Вариациите от този тип се наричат геофизични аномалии.

За изследвания на кухини са препоръчителни няколко геофизични техники, в основата на чиито избор е физичният контраст между търсения обект и обкръжаващата го скала: гравиметрични, електромагнитни, магнитни, сеизмични и други. Тяхното приложение обаче е усложнено от комплексния и динамичен характер на карстовите условия, в които най-често се образуват пещерите. Възможно е те да бъдат сухи, частично или изцяло изпълнени с вода, или евентуалното наличие на седиментен слой да блокира чувствителността на някои от уредите. Интересно е да се отбележи, че за разлика от другите методи, прилагани за изследване на кухини, гравиметрията притежава много добри до отлични качества за тяхното локализиране въпреки посочените фактори (особено подходяща за сухи пещери). Възможността обаче плиткоразположена малка кухина да има сходен ефект с по-голям обект, разположен на по-голяма дълбочина, например, е израз на характерната за нея, както и за останалите техники, неединственост на изводите, които могат да бъдат направени.

Въвеждането на условия, с които да се ограничи нееднозначността в решението на т. нар. обратна задача, дефинирана от индиректното приложение на геофизичните методи при изследване на земния строеж, е съществено. Практическият опит е утвърдил мултисензорното изследване, основано на различни, подходящо подбрани физични свойства на средата, като средство, осигуряващо по-добри резултати, отколко повишаване точността на една-единствена технология. Допълнителната геоложка информация, топография и данни за други подземни обекти може също да допринесе съществено. В изследването, представено в тази статия, са проведени както измервания над известна пещера, така и в самата нея, с цел да се изследва ефективността на мултисензорното локализиране на пещери.

Избор на обект

На територията на Балканския полуостров са изследвани и картирани над 20 000 пещери (Gunn, 2004). Карбонатни скали, които са предпоставка за развитието на кухини, покриват 24% от територията на страната ни. В тях са открити над 5 000 пещери.

Районът на село Боснек, Пернишка област е характерен с множеството пещери, сред които е и най-дългата у нас – Духлата. Той заема планината Голо Бърдо и част от южните склонове на Витоша (Михайлова, 2006). Неговата площ е около 30 km2, а окарстените скали – варовици и доломити, заемат 23 км2 от тях (по данни от Дирекцията на Природен парк „Витоша“). Релефът е планински, като надморската му височина варира от 800 m до над 1400 m.

Духлата представлява сложен лабиринт, чиито изследвани коридори са с обща дължина над 18 km. Според оценка на потенциалните възможности на района, това са по-малко от 10% от галериите, които вероятно са скрити под повърхността.

На Фигура 1 е представена извадка от ГИС (Географска Информационна Система) платформата за Боснешкия карстов район. Картината дава ясна и точна представа за извършените до момента открития, за установените и перспективните нови входове на пещери, както и вероятния път на подземните реки. Векторната информация за обектите е наложена върху растерни подложки, включващи спътникови изображения, ортофотоснимки, геоложки и топографски карти. Систематизираната в този вид информация дава богати възможности за анализ на района и планиране на изследвания. От фигурата е добре видимо, че проучванията до момента обхващат една много малка част от този изключително перспективен район.

SlavovaRusev page11 image1

Фиг. 1 Извадка от ГИС системата на Боснешкия карстов район

От изключителен интерес е пулсиращият извор Живата вода (Фиг. 2), разположен на северозападната граница на Боснешкия карстов район. Нерегулярните интервали, през които водата ту потича, ту спира, са причина за различни легенди и вярвания, но вниманието на изследователите е насочено върху подземните обекти, които пораждат феномена. На 100 m от извора се намира едноименната пещера, която е особено подходяща за конкретното изследване поради отличните възможности за „калибриране“ на предложената технология. При входните ѝ части са сравнително големи по обем и близо до повърхността, а теренът над нея позволява извършването на планираните изследвания. Развитието ѝ е хоризонтално и дълбочината ѝ под земната повърхност е обуславено от наклона на склона над нея. Същевременно районът в непосредствена близост представлява интерес, както заради другите пещери, така и поради забележителния природен феномен на пулсиращия извор.

SlavovaRusev page11 image2

Фиг. 2 Пулсиращият извор Живата вода

Геофизични техники

За настоящото изследване е избрана комбинация от гравиметрия, магнитометрияи георадарни измервания (GPR – Ground Penetrating Radar). Гравиметрите са чувствителни към изменения в плътността на средата, магнитометрите откриват аномалии на база прецизни измервания на магнитното поле, a GPR е активна радарна система, регистрираща отразените сигнали. Характерно за първите два методи, които са пасивни техники, отчитащи измененията в естествените полета, е, че те са ефективни за приложения на значителна дълбочина, съобразно размера на обекта. Общите предимства на трите техники включват портативен инструментариум, един оператор за всяка от тях, а работният процес е тих и недеструктивен.В зависимост от използвания софтуер резултатите могат да бъдат представени и във вид на карти, което има значително предимство пред данните в отделни точки или по дължините на профили.

Същевременно планинските условия на изследваната област са съществено предизвикателство за извършване на измерванията и постигането на точни резултати. В допълнение към това, за гравиметричните станции са необходими прецизни пространствени данни, които се постигат трудно в отдалечени райони със затруднена ГНСС (Глобални Навигационни Спътникови Системи) видимост, каквито са условията в горите.

Трите наземни техники са допълнени от тримерно пещерно картиране на пещера Живата вода, която попада в рамките на изследвната зона. Полученият модел е използван за теренно „калибриране“ с цел изследване ефективността, както и подобряване на анализа и интерпретацията на получените мултисензорни данни.

Инструменти

Оборудването включва както съвременни, така и класически уреди. Докато част от резултатите са готови в реално време, други изискват последваща обработка. Избраният гравиметър LaCoste & Romberg G е с чувствителност 0.04 mGal, георадарът е MALA X3M с 250 MHz антена, а магнитомерът е GSM-19 с резолюция 0.01 nT.

Пространственото положение на точките от мрежата следва да бъде определено с точност, която е съобразена с чувствителността на гравиметъра. Предвид вертикалния градиент на силата на тежестта, грешка от 1 m води до грешка 0.3 mGal в стойността на силата на тежестта (Стойнов, 1974); хоризонталният градиент е многократно по-нисък, поради което не е взет под внимание в обосновката на точността. Критичното значение на височинните определения обуславя праг на точността 13 cm. За постигането ѝ е използвано интегрирано ГНСС устройство Trimble Geo 7X (поддържащо системите GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou/Compass), което в комбинация с външна антена Zephyr II върху двуметров щок улеснява постигането на поставеното изискване. Уредът притежава още модул за измерване на дължини, азимут и инклинация, което позволява извършването на дистанционни измервания с ниска точност. За местата без или с ограничена спътникова видимост е включена тотална станция Leica TCR303.

Измервания

Теренната работа е разделена на две части – пещерни и наземни измервания. Заради сравнително големите галерии и хоризонталното ѝ развитие, картирането на Живата вода е относително лека задача (Фиг. 3). Затвореният пещерен полигон включва няколко станции, чиито места са избрани съобразно видимостта помежду им, както и заснемането на характерни форми. Общата му дължина е по-малко от 70 m. Координатите на точките са определени чрез измервания с тотална станция, привързани към ГНСС измервания извън пещерата, в непосредствена близост до нея.

SlavovaRusev page11 image4 SlavovaRusev page11 image3

Фиг. 3 Пространствени измервания в пещерата (вляво) и в района около нея (вдясно)

Наземните измервания са внимателно планирани, като е използвана наличната топографска информация за района, както и данните от заснемането на самата пещера. Проектираната регулярна мрежа включва 180 точки с разстояние от 2 m помежду им, разпределени в 8 реда по направление на хоризонталите, ориентирани приблизително изток-запад. При южната централна част на мрежата се намира входът на пещерата, а при северната ѝ граница тя вече е на значителна дълбочина.

Мрежата е трасирана с далекомерния модул на Trimble Geo 7X, като растителността и скалите са взети предвид при полагането на точките, така че трудностите при последващите същински измервания да бъдат сведени до минимум. За да бъдат определени прецизните им координати, поради значителната сянка от дърветата, е използвана комбинация от ГНСС и измервания с тотална станция.

От извършените мултисензорни изследвания най-лесната част е тази, извършена с магнитометъра – измерванията отнемат едва по няколко секунди на точка (Фиг. 4). Дърпането на шейната на георадара по склона е физически по-сложно, но най-трудната част са гравиметричните измервания, които отнемат средно по 10 минути на станция, а в някои случаи и повече.

SlavovaRusev page11 image5 Custom SlavovaRusev page11 image6

Фиг. 4 Отляво надясно: измерванията с магнитометър, георадар и гравиметър

Пещерен модел

Върху всички пространствени измервания е извършена последваща обработка с цел подобряване на точността на ГНСС данните и привързването им с тези от тоталната станция. Пещерното тяло е апроксимирано от около 350 точки, обхванати от 4 станции. Методът, по който е извършено, се различава от традиционното пещерно картиране, при което от всяка станция се заснема напречния профил (посредтсвом разстояние до под, таван и двете стени), при което разстоянието помежду им е по-малко, а броят – значително по-голям. Посредством използваните кодове за разграничаване на пода от останалите точки, в среда на AutoCAD Civil са изчертани две повърхнини, между които е заключен пещерния обем. Полученият модел е използван за извличане на информация за формата, размера и дълбочината на пещерата – данни от съществено значение за последващите анализ и интерпретация на резултатите от мултисензорното изследване и възможностите заповишаване ефективността на приложените техники.

Последваща обработка

Въпреки че резултатите от георадарните измервания са налични още на терена, е извършена допълнителна обработка със софтуера MALA Object Mapper and GroundVision, като са приложени различни филтри, които да подобрят анализа на данните. Информацията е представена по надлъжни профили (Фиг. 5). Магнитометричните резултати са визуализирани с програмата Surfer във вид на карта.

SlavovaRusev page11 image8

SlavovaRusev page11 image7

Фиг. 5 Схема на георадарните измервания (горе) и резултати за профил 15, посочен на схемата с червен цвят (долу)

За разлика от другите два метода, гравиметричните измервания изискват топографски корекции за постигането на точни резултати, особено за планинските области, какъвто е и конкретният случай. Съобразно размера на обекта са изчислени техните стойности за район с размери 10 х 10 km посредством SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), дигитализирани топографски карти и ГНСС височините на заснетите станции.

Върху първичните гравиметрични резултати е извършена филтрация за тяхното изчистване от остатъчни грешки и влияния, които не се дължат на реално съществуващи аномалии. Един надежден набор от данни следва да се характеризира с плавно изменение, без резки скокове в отделни станции или по дължината на провежданите рейсове, с добро площно разпределение и в съответствие с геоложката информация. В избора на филтриращи параметри са заложени няколко основни критерия за качество на резултатите, сред които минималната стойност на аномалията да попада в рамките на пещерните очертания, както и цялостното ѝ разпределение да е в добро съотношение с тримерния модел. Приложена съвместно с калибриране по предложения начин, филтрацията повишава чувствителността на гравиметричния метод до няколко пъти, както показват резултатите от проведеното експериментално изследване.

Нови кухини

Както гравиметричните, така и магнитометричните данни са представени във вид на карта, върху която е извършена съпоставка с пещерния профил (Фиг. 6). Анализът и интерпретацията на резултатите допускат наличието на две нови кухини в рамките на изследваната зона. Едната от тях е разположена в югоизточния край на мрежата и се съчетава добре с извор и кухина, намиращ се в подножието на скалите. Другата се намира западно от привходната зала на Живата вода (при точки A21-22, B21-22), за чието наличие подсказва и характерният пещерен профил в тази част, който е насочен в същата посока.Липсата на седиментен слой, който да блокира електромагнитния сигнал, позволява успешното приложение и на георадарните измервания. Резултатите потвърждават тези от другите две техники.

 

SlavovaRusev page11 image9

Фиг. 6 Резултати от измерванията с гравиметър (горе) и магнитометър (долу)

Бъдещо развитие

Всяка от геофизичните технологии, използвани в настоящото изследване, има както предимства, така и недостатъци, свързани с локализирането на подземни обекти. Когато са използвани заедно обаче, те са мощно средство за локализиране на кухини. От съществено значение за подобряване анализа и интерпретацията на резултатите от подобно мултисензорно изследване е интегрирането му в среда на ГИС. Наличната платформа за Боснешкия карстов район съдържа информация както за известни, така и потенциални пещерни входове, тяхното развитие и вероятни подземни реки. В настоящето изследване платформата е използвана основно за планиране на работата, но гравиметричните, магнитометричните и георадарните резултати могат да бъдат лесно да бъдат интегрирани в нея. От една страна, подобно действие ще подпомогне съпоставката на различните видове данни за конкретния обект. От друга, информацията от изследвания на различни територии ще бъде съчетана в изграждането на една цялостна картина за подземните структури, което ще спомогне за професионалното, прецизно и надеждно разгадаване на сложния пъзел на карстовите системи.

Благодарности

Авторите изразяват своите благодарности към Нов български университет, Университета по архитектура, строителство и геодезия, Българска геоинформационна компания, Финансова група „Карол“ и хората, които лично подпомогнаха това изследване.

  1. Михайлова, Б., Митев, А., Бендерев, А., Шанов, С. Хидрогеоложки и геофизични изследвания за локализиране речното подхранване на подземните води в Боснешкия карстов район. Геонауки, София, 2006.
  2. Стойнов, В. П. Физическа геодезия. София, 1974.
  3. Gunn, J. Encycplopedia of Caves and Karst Science. New York: Taylor and Francis Group, 2004.

Автор

Geomedia Magazine

И все пак тя се върти…
Rotating_earth
Rotating_earth
От категорията
  • КИГ организира обучителен курс в София
    КИГ организира обучителен курс в София

    Камарата на инженерите по геодезия (КИГ) организира поредното обучение. Курсът за поддържане и повишаване на професионалната квалификация във връзка с чл.20, ал.4 от ЗКИР, по

  • Конференция за световния ГИС ден
    Конференция за световния ГИС ден

    Световния ден на Географските информационни системи (ГИС) и тази година е през ноември. На 17 ще се проведе онлайн конференция по повода.

  • Геодезистите канят на конференция
    Геодезистите канят на конференция

    От Съюза на геодезистите и земеустроителите в България (СГЗБ) канят днес и утре, 4 и 5 ноември 2021 г. в София на ХХХI Международен симпозиум

Гео-портал на минестерството на отбраната

Contact Us