Лаборатория сейсмостратиграфии

Создание геомоделей рельефа дна и осадочной толщи как важнейших компонентов глобальной многослойной оболочки геоинформационной системы и составной части базы данных по свойствам морского дна

Для анализа потенциальных рисков и обоснования наиболее вероятных сценариев развития необходима разработка общей концепции формирования морского дна, где заложена информация о геологическом строении, истории развития и современных природных геолого-геоморфологических процессах. На данный момент, к сожалению, часто игнорируется комплексный подход для решения этой задачи.

Для комплексного решения данных направлений исследований необходимо создание геомоделей рельефа дна и осадочной толщи, как важнейших компонентов глобальной многослойной оболочки геоинформационной системы и составной части базы данных по свойствам морского дна.

Под цифровой моделью рельефа (ЦМР) дна понимается организованная структура файлов, содержащих векторные представления пространственных объектов разного типа, атрибутивную информацию о них и топологические соотношения между ними. Цифровая модель рельефа (ЦМР) дна морских акваторий является важнейшим компонентом глобальной многослойной оболочки геоинформационной системы (ГИС).

Данные по свойствам рельефа дна необходимы как для решения фундаментальных задач, так и широкого круга прикладных исследований, включая:

1. проведение мониторинга и определения возможного изменения рельефа и структуры морского дна в условиях нарастающего антропогенного пресса, включая разработку и эксплуатацию месторождений углеводородов;
2. изучение структуры рельефа с целью реконструкции обстановок осадконакопления и формирования рельефа, определения его эволюции и использования полученных данных в интересах отраслей, которые добывают полезные ископаемые, а также при решении других практических задач;
3. изучение геолого-геоморфологических процессов, связанных с опасными природными явлениями (деформации морского дна, оползни, деградация подводных многолетнемерзлых пород и пр.), приводящих к быстрому изменению рельефа, физических и гранулометрических свойств осадков с целью минимизации рисков и предупреждения техногенных катастроф, в том числе, в районах разведки, планируемой добычи или эксплуатации сырьевых ресурсов РФ;
4. создание и внедрение наукоемких инновационных технологий геолого-геофизических исследований, в том числе высокоразрешающих сейсмоакустических методов с целью исследования тонкой структуры рельефа дна;
5. планирование и организацию морской деятельности в условиях возможного увеличения сроков навигации в Арктике, а также прогнозные построения динамики рельефа по трассе Северного морского пути, включая вероятные геориски;
6. использование данных о свойствах дна для проектно-строительных работ;
7. разработку и эксплуатацию гидроакустических средств подводного наблюдения, в том числе прогноз их потенциальной дальности действия, а также другую обработку гидроакустической информации и т.д.

Геолого-геоморфологические модели морского дна, с некоторой долей условности, можно разделить на две группы - генеральные модели крупных акваторий и модели небольших по площади участков.

Генеральные модели рельефа дна должны являться основой для определения «ключевых» участков шельфа с детальным промером глубин для решения как фундаментальных, так и практических задач. При промышленном освоении шельфа они необходимы на стадии обоснования, планирования и определения георисков, разведки и строительства, а на стадии эксплуатации служат основой для проведения мониторинга, обеспечения мероприятий по отражению возможных угроз, включая природные и т.п. Данный подход наиболее адекватен для оптимизации материальных затрат, учитывая большую, а порой огромную, стоимость натурных изысканий.

Именно генеральные модели сводят к минимуму возможные и неизбежные ошибки на всех стадиях изысканий и эксплуатации инженерных сооружений. До настоящего времени для многих производственных организаций и объединений данная последовательность действий не очевидна.

Моделирование рельефа дна крупных акваторий всегда проводится в условиях дефицита данных гидрографического промера, а равномерной и детальной изученности рельефа дна не стоит ожидать и в ближайшем будущем. Поэтому, необходимо использовать всю имеющуюся геолого-геоморфологическую информацию. Однако при составлении цифровых карт рельефа дна редко учитывается его происхождение, структурная принадлежность, палеогеографические условия формирования и современные особенности развития, не привлекаются геофизические, геологические, геоморфологические и другие данные и не проводится их комплексный анализ. При компьютерной обработке данных, как правило, проводится механическая интерполяция глубин по регулярной (или по нерегулярной) сетке отметок.

Методика создания ЦМР дна разработана сотрудниками Лаборатории, она научно обоснована, но достаточно сложна и, к сожалению, трудоемка (см. список публикаций сотрудников Лаборатории). При создании ЦМР важен выбор алгоритма, который позволил бы сохранить в модели формы рельефа дна с максимальной детальностью. Нами используется оригинальный алгоритм, основанный на быстром вычислении расстояний до двух ближайших изобат разного уровня. Его главная особенность – интерпретация изолиний как векторных линейных объектов.

Пример цифровой модели рельефа дна Белого моря.

Пример цифровой модели рельефа дна Баренцева моря.

ЦМР отображает рельеф дна в заданном масштабе без потери первоначальной степени детальности, как для всего моря, так и для его отдельных частей. ЦМР дает возможность строить профили рельефа дна с любой частотой и в любом направлении, а также использовать средства морфометрического анализа в ГИС.

Для проведения специализированных геолого-геоморфологических работ, либо геоакустических расчетов необходимы еще более детальные данные с сохранением первичной сейсмоакустической и крайне подробной информацией о морфологии (включая, расчлененность) рельефа дна и других характеристиках. В этом случае, необходимо провести систематизацию, типизацию и районирование рельефа (основное различие между геоакустическим районированием и типизацией состоит в том, что при типизации главный критерий - качественные различия, а при районировании – количественные). Для этого на ЦМР необходимо выделить области, где изменения геолого-геоморфологических параметров будут относительно невелики, при этом, систематизацию (типизацию, районирование) логично проводить согласно с классификацией, которую возможно детализировать в соответствии с целями и задачами исследований (см. список публикаций сотрудников Лаборатории).

Пример цифровой модели рельефа дна арктического бассейна

Пример трехмерного изображения рельефа дна (хребет Ломоносова)

Используя данные ЦМР дна возможно проведение морфоструктурного анализа, который направлен на исследование свойств современного и древнего рельефа земной поверхности с целью изучения его происхождения и истории развития. По данным ЦМР дна можно рассчитать все необходимые морфометрические показатели (цифровая модель углов наклона и т.д.).

Углы наклона глубоководной части Северного Ледовитого океана (российский сектор)

В распределении поверхностных отложений и строении верхней осадочной толщи наблюдается отчетливая связь с современной и древней поверхностью рельефа дна и его отдельными формами. Основой первичных данных о поверхностных отложениях являются пробы, полученные в натурных условиях с помощью различных технических средств (дночерпателей, геологических трубок различных типов и модификаций и пр.). Для характеристики осадочной толщи дополнительно используются данные сейсмоакустического профилирования и бурения, включая литолого-геохимическое изучение кернов.

Поскольку отбор проб осадков проводится в ограниченном числе точек, то основной задачей обработки геолого-геоморфологической информации является обобщение точечных натурных данных на площадь района обследования. Геоакустические параметры, измеренные по образцам осадков, можно связывать с типом осадка. Такой подход позволяет экстраполировать полученные данные на большие площади дна.

Природные процессы сформировали, в целом, слоистую толщу морских осадков различной мощности и выраженности. Формирование основных акустических границ, в целом, связано с крупными, а подчас глобальными, палеогеографическими событиями. Данные бурения позволяют получить геологические параметры слоя по вертикали (включая возраст и данные по физическим свойствам осадков), а результаты сейсмического профилирования позволяют описать изменения мощности каждого слоя в пространстве. Таким образом, возможно построение серии поверхностей изопахит (карт мощностей) для разных возрастных срезов (например, мощностей голоценовых, четвертичных отложений и т.д.).

Предлагаемая концепция дает возможность разработать эффективный алгоритм, описывающий все этапы геомоделирования морского дна с использованием комплекса показателей.

Развитие подобных исследований возможно на границе разных отраслей знаний – геоморфологии, геологии, палеогеографии, геофизики, картографии, акустики, информатики и математического программирования. При этом геоморфологические исследования являются основой для изучения морфологии и динамики современного и древнего рельефа дна.

Геологические, геофизические, совместно с геоморфологическими и палеогеографическими, определяют генезис, возраст рельефа дна и его развитие (что позволяет проведение морфогенетического анализа). Акустические - характер распространения акустических сигналов. Картографические и программные дают возможность формировать базы данных, разрабатывать алгоритмы и программы, определять решение картографических и геодезических задач, пересчетов различных проекций и т.д.

При этом, новизну имеет не только финальный продукт – собственно цифровая модель рельефа дна, но и методические и методологические основы цифрового моделирования, включая новые классификационные подходы к описанию рельефа.