ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 5, с. 75-84
ОБЗОРЫ
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЛЬДИСТОСТИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В ВИДИМОМ И ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ © 2012 г. С. Г. Корниенко
Институт проблем нефти и газа Российской академии наук, Москва E-mail: spaceakm2@ogri.ru Поступила в редакцию 30.01.2012 г.
Оценка льдистости мерзлых грунтов в районах сплошного распространения многолетнемерзлых пород проведена на основе разновременных данных видимого и инфракрасного (ИК) теплового диапазона длин волн в летнее время съемок. Методика основана на выявлении различий в темпах роста сезонной радиационной температуры земной поверхности участков с различной льдисто-стью. Расчет сезонной радиационной температуры поверхности, соответствующей моментам суточной инверсии, проводился с учетом параметра, характеризующего тепловую инерцию приповерхностного слоя суточных колебаний температуры на основе пар дневных и ночных измерений со спутника NOAA. На примере территории Харасавэйского и Крузенштерновского газоконденсат-ных месторождений Западного Ямала показано, что различия грунтов по льдистости более достоверно могут быть оценены в границах однотипных природных комплексов. Аномально низкие значения разности сезонных радиационных температур поверхности, рассчитанных по данным съемки в августе и июне в пределах морских террас, предположительно, связаны с залегающими близко к поверхности пластовыми льдами. Разделение участков высокой льдистости мерзлых грунтов и участков высокой влажности талого слоя, характеризуемых одинаковыми разностями сезонных радиационных температур поверхности, предлагается проводить с учетом параметра, характеризующего тепловую инерцию слоя суточных колебаний температуры.
Ключевые олова: дистанционное зондирование, радиационная температура, температура земной поверхности, тепловая инерция, льдистость грунтов, многолетнемерзлые породы
ВВЕДЕНИЕ
Освоение территорий Арктики и Субарктики неразрывно связано с обеспечением безопасности технических объектов и минимизацией геоэкологических и геокриологических рисков: развития термокарстовых и термоэрозионных процессов, таликов, морозного растрескивания и пучения грунтов. В этой связи актуальна разработка новых альтернативных методов и технологий, в том числе с использованием данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), позволяющих характеризовать и контролировать состояние много-летнемерзлых пород (ММП) в местах строительства и функционирования промышленных и хозяйственных объектов. Кроме того, научный и практический интерес представляют получаемые новыми методами данные о неоднородностях характеристик ММП малоизученных территорий, а также детализация и уточнение создаваемых инженерно-геологических карт. К числу основных информативных параметров, характеризующих неоднородности мерзлоты, относят температуру ММП на глубине проникновения годовых коле-
баний, льдистость грунтов, наличие пластовых льдов, мощность ММП, глубину сезонно-талого слоя (СТС).
Известно, что температура земной поверхности определяется радиационным и тепловым балансами и особенностями геологического строения. Неоднородности геокриологического строения обусловлены в первую очередь геологическими и ландшафтными особенностями, а также различиями условий теплообмена грунтов с атмосферой (Вечная мерзлота ..., 2002). Возможность применения дистанционной ИК-тепловой съемки для характеристики льдисто-сти мерзлых грунтов была рассмотрена еще в 70-х годах прошлого столетия (Ье8сИаск е! а1., 1973; Горный, Шилин, 1978). Метод основан на выявлении различий в темпах роста температуры поверхности (ТП) на участках с различными теплофизическими свойствами грунта (Вербицкий, Коломыцев, 1987; Горный и др., 1993; Вавилов и др., 1991). В зарубежных публикациях последних лет рассматривается возможность картирования границы ММП на основе серии
годичных наблюдений за вариациями ТП (Hachem et al., 2009), а также моделирования не-однородностей мерзлоты и СТС по данным сканера MODIS и данным метеонаблюдений на ключевых участках (Marchenko et al., 2009). Основанием для разработки методов послужили исследования, описывающие связь среднегодовой ТП грунта и температуры ММП (Sazonova, Romanovsky, 2003). В то же время авторы метода указывают на погрешности, связанные с влиянием неоднородного снежного и растительного покрова (Hachem et al., 2009).
Возможность оценки льдистости мерзлых грунтов по данным ИК-тепловой съемки в бесснежный летне-осенний период рассмотрена в работах (Leschack et al., 1973; Горный, Шилин, 1978). Однако метод не получил развития, и одна из главных причин заключается в маскирующем влиянии неоднородного по теплофизическим свойствам почвенно-растительного слоя (ПРС). Контрасты ТП, связанные с этим фактором, могут в несколько раз превышать контрасты, обусловленные различиями льдистости грунтов. К числу значимых в этом отношении характеристик ПРС следует отнести альбедо поверхности, лито-логический состав грунта, тип и толщину растительного покрова, а также их влажность (Павлов, 1975). В то же время известно, что физические и теплофизические свойства ПРС, характеризующие условия теплообмена грунтов с атмосферой, могут быть установлены по данным ДЗЗ в видимом и ИК-тепловом диапазоне (Kahle, Alley, 1985; Горный и др., 1993). Следовательно, имеются предпосылки для разработки методики оценки льдистости мерзлых грунтов с использованием данных ИК-тепловой съемки в бесснежный летне-осенний период.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЛЬДИСТОСТИ ГРУНТОВ ПО ДАННЫМ ВИДИМОГО И ИК-ТЕПЛОВОГО ДИАПАЗОНОВ
Известно, что температурное поле земной поверхности имеет суточную и годовую периодичность и при отсутствии снежного покрова и процессов кристаллизации почвенной влаги приближенно может быть описано выражением (Павлов, 1975)
N
Ts(0,т) = Т0 + ^cos(-Пх + фJ ,
i = i '
где T0 — среднегодовая ТП; а, — амплитуда колебаний температуры отдельной гармоники на поверхности; tj — период колебаний; т — время; ф, — начальная фаза колебаний; N — число гармоник, i — номер гармоники.
Амплитуды суточных колебаний температуры (СКТ) и годовых колебаний температуры (ГКТ) земной поверхности зависят от теплофизических свойств верхнего слоя до глубины проникновения этих колебаний. Для характеристики льди-стости грунтов и выявления пластовых льдов наиболее информативны различия амплитуд ГКТ Максимальные контрасты ТП, связанные с неоднородностью грунтов по льдистости и пластовыми льдами, проявляются в период максимального прогрева — в конце августа, начале сентября и могут достигать 1—2°С (Ье8сИаск й а1., 1973; Корниенко, Разумов, 2009). Очевидно, что для однотипных грунтов контрасты ТП будут зависеть также от влажности СТС. Это следует учитывать при дешифрировании и интерпретации аномалий теплового поля поверхности.
В бесснежный период различия теплофизических свойств и льдистости грунтов могут быть охарактеризованы по разности среднесуточных значений ТП, полученных в летний сезон после схода снега и в период максимального прогрева земной поверхности. Для территорий Западного Ямала это соответственно конец июня и конец августа. За этот период летних колебаний температуры (ЛКТ) наблюдается резкий рост ТП (Васильев и др., 2011). Мощность исследуемого слоя определяется глубиной проникновения ЛКТ (рис. 1), которая приблизительно оценена по известному экспоненциальному закону (Павлов, 1975). В супесчано-суглинистых грунтах (ССГ) и торфах она будет достигать 6—8 и 1—3 м соответственно, если считать, что амплитуда колебаний температуры на нижней границе в грунтах убывает в 100 раз по сравнению с амплитудой колебаний ТП. Приведенные значения глубины проникновения ЛКТ для данного региона подтверждаются результатами измерений в скважинах (Антропогенные изменения, 2006; Дубровин, Крицук, 2011; Баулин и др., 2003). Глубина слоя ГКТ на западном побережье п-ова Ямал составляет 12—18 м в зависимости от типа ландшафта (Баулин и др. 2003). Глубина СТС в районах Западного Ямала не превышает 1.5 м, а глубина проникновения СКТ составляет не более 0.3—0.4 м вместе с растительным покровом.
Среднесуточные значения ТП могут быть определены по данным космической съемки разного времени суток и метеоданным на основе регрессионных зависимостей между температурой воздуха и ТП, рассчитанной по космическим данным в районе метеостанции (НасИеш е! а1., 2009). Альтернативный подход заключается в использовании распределений радиационной ТП в моменты суточной инверсии ТП, когда различия тепло-физических свойств грунтов в слое СКТ имеют
минимальный вклад в распределение ТП (Le-schack et al., 1973; Горный и др., 1993; Вербицкий, Коломыцев, 1987). В случаях несовпадений времени проведения космической или воздушной тепловой съемки с моментами суточных инверсий ТП проводятся преобразования исходных значений радиационной ТП с учетом различия условий теплообмена грунтов с атмосферой (Аэрокосмические методы ..., 1992). Для этого территория делится на однородные по типам поверхности участки, с близкими в границах каждого типа физическими (спектральными) и тепло-физическими характеристиками. Далее выбирается один тип участков, относительно которого корректируются значения радиационной ТП, относящиеся к остальным типам, что, как предполагается, равносильно приведению участков всех типов к одним условиям теплообмена. Для районирования территории используются ландшафтные, геоботанические, почвенные карты, а также результаты классификации типов поверхности по данным ДЗЗ. Ландшафтно-индикационный метод в настоящее время является основным в практике геокриологического районирования (Бау-лин и др., 2003; Крицук, 2010). Недостатком данного подхода для районов северной тундры является то, что даже однотипные по растительному покрову и литологическому составу участки могут существенно отличаться по влажности, которая сильно влияет на условия теплообмена. Требуется параметр, учитывающий пространственные вариации влажности ПРС в день съемки и более адекватно характеризующий территорию по условиям теплообмена.
Термодинамическая температура (Ts), радиационная температура (Tr) и коэфф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.