12.05.14

Мониторинг коренных пород в лесах с помощью лидарных технологий

На портале Space Daily размещена статья о том, как учёный-геолог Уильям Дитрих (William Dietrich) из Калифорнийского университета в Беркли (США) впервые использовал лидарную аэрофотосъёмку для создания топографической карты горной местности, с модели которой снята растительность для наглядного показа нижележащей земной поверхности.

Но этого геологу показалось мало, поскольку он не мог изучать внутреннее строение территории: мощность почвенного слоя, почвообразующие (или материнские) и коренные горные породы. Поэтому Дитрих вместе с аспиранткой Даниэлой Ремпе (Daniella Rempe) разработал новый метод мониторинга этих подземных объектов без использования бурения, и этот метод может потенциально использоваться для более точного прогноза стока воды, доступной для растений влаги, оползания грунтов и влияния климатических изменений на эти процессы. 

Технология, позволяющая улучшить построение климатических моделей, которые на сегодняшний день учитывают только почвенные горизонты, была опубликована на прошлой неделе в первом издании журнала «Вестник Национальной академии наук США» (Proceedings of the National Academy of Sciences).

Основным препятствием для включения подземных вод в климатические модели, по словам Ремпе, служат слои нижележащих коренных пород, в которых может быть сосредоточена большая часть подземных вод в холмистой местности, особенно в период засушливого калифорнийского лета. Новая модель предполагает, что слои коренных пород на горных склонах контролируются изнутри, что позволяет проследить за подземными водами, которые скрыты внутри коренных пород. 

«Если можно будет понять, каким образом вода стекает с горных склонов, мы сможем улучшить прогнозирование влияние изменений климата и землепользования на растительность и сток», - добавила Ремпе. «Однако основной сложностью построения гидрологической и климатической моделей является учёт почвенных горизонтов и слоёв коренных пород. В этой же модели впервые учтена простая теория, основанная на дренаже подземных вод, что позволяет предсказать мощность коры выветривания». 

Мониторинг эрозии изнутри

Модель, разработанная в Калифорнийском университете в Беркли, основывается на десятилетних исследованиях, которые проводятся в различных районах, активно подверженных действию эрозии, в частности, в заповеднике Анджело в районе Берегового хребта (Angelo Coast Range Reserve) близ города Лайтонвилл в штате Калифорния и в сходной по природным условиям местности в районе залива Кус Бэй (Coos Bay) в штате Орегон. Результаты исследований основаны на учёте природных условий в горах мира, в том числе в Аппалачах и Сьеррра-Невада в США.

Почва — комплексное природное тело, состоящее из органического компонента и выветрившихся горных пород — традиционно считается зеркалом ландшафта, местом, откуда растения получают воду и питательные вещества, объектом анализа условий увлажнения, объектом, подверженным эрозии и иногда оползанию. 

Однако в последние годы учёные пришли к выводу, что часто мощный слой материнских пород, залегающий под почвами и участвующий в процессе почвообразования играет важную роль в жизни растений и водоразделов. Корни растений часто проникают сквозь почву в толщу нижележащих горных пород, и исследования Ремпе и Дитриха показали, что горные породы могут удерживать воду значительно дольше, чем почвы. 

«Почва представляют собой тонкую оболочку ландшафта, но часто из-за гидрологических явлений почвы размываются», - сказала Ремпе, подразумевая, что мощность почв в заповеднике Анджело составляет менее двух футов (менее 60 см), а мощность коренных пород доходит до 80 футов (примерно 24,4 м). «Стофутовые (тридцатиметровые) дугласовы пихты не добывают всю необходимую воду из почвы. Почвы слишком тонки для этого». 

Дитрих и Ремпе предусматривают в своей модели, что мощность почвообразующих пород прежде всего зависит дренированности твёрдых, но насыщенных водой коренных пород. Эта вода может сохраняться в течение сотен тысяч лет и создавать опасность оползания грунта, иногда смещения достигают миллиметра в год. 

Когда коренные породы поднимаются из-за неотектонических движений, вода отводится из верхней части толщ, покидает насыщенные влагой поры в ходе физического и химического выветривания. 

Трещины в горных породах позволяет воде, газам и корням растений проникать в толщи сверху и легко преобразовывать камень посредством склоновых процессов. Коренные породы сами по себе не всегда проницаемы, тем не менее, потоки воды превращают их в дренаж. Для того, чтобы предсказать мощность коренных пород, подвергающихся выветриванию, новой модели нужны только параметры водоносного горизонта, определяемые степью пористости пород.

Основной акцент делается на влажность горной породы

«Сделан первый шаг к тому, что вычислять мощность коры выветривания в пределах ландшафта, в пределах зоны, которую мы обозначили как динамичную «влажную горную породу» (rock moisture), и в ряде случаев, как нам кажется, наша модель расходится с современными моделями климата», - заявил Дитрих, профессор наук о Земле. «Так называемся влажная горная порода может быть использована деревьями и, таким образом, хотя и медленно, участвовать в круговороте воды, но до сих пор она не учитывалась в виртуальных моделях».

Один из прогнозных результатов, который может использоваться в мониторинге, является увеличение мощности влажной зоны от горных склонов к вершинам хребтов. 

«В дальнейшем мы сможем объяснить, почему некоторые ландшафты отличаются мощными почвами и малой толщиной коры выветривания, в то время как другие имеют мощную кору выветривания, выходящую непосредственно на поверхность», - добавила Ремпе. 

Дитрих и Ремпе надеются попасть на горные вершины и измерить мощность коры выветривания для того, чтобы проверить правильность построения модели и подтвердить ключевую роль свежей коры выветривания для дренажа, сравнить мощность коры выветривания в холмистых и горных ландшафтах. 

Почвообразующая или материнская горная порода (светло-коричневый цвет) - это чаще всего тонкий слой выветрелых горных пород под тонким почвенным образованием (тёмно-коричневый цвет) и прямо под ними расположены коренные горные породы (серый цвет), которые могут удерживать в себе больше воды, чем почва, и играют важнейшую роль в образовании стока воды, оползней и изменении облика горной или холмистой местности. Геологи из Беркли предполагают, что уровень, на котором происходит дренаж воды по отношению к коренной породе (направления движения воды выделены синим цветом) определяет мощность коры выветривания



Источник: http://gisa.ru/

ВІСНИК ГЕОДЕЗІЇ ТА КАРТОГРАФІЇ