Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Cztery lata temu w wyniku potężnych nawałnic osunęła się ziemia, która zniszczyła znaczną część meksykańskiej miejscowości La Pintada. Zginęło wówczas kilkadziesiąt osób. Gdyby wcześniej udało się wskazać zbocza najbardziej narażone na osunięcia w wyniku długotrwałych i gwałtownych opadów, być może na czas ewakuowano by mieszkańców tej miejscowości. W jednym z międzynarodowych zespołów opracowujących algorytm pozwalający identyfikować takie tereny przy wykorzystaniu numerycznych modeli terenu o wysokiej rozdzielczości pracuje dr Krzysztof Gaidzik z Wydziału Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego.

Groźna Ameryka Łacińska

Naukowiec podjął się badań aktywności tektonicznej wzdłuż pacyficznego wybrzeża Meksyku w ramach projektu, którego kierownikiem jest prof. María Teresa Ramírez-Herrera. 

– Moim celem była m.in. analiza rzeźby terenu i na tej podstawie wskazanie miejsc dotkniętych przez trzęsienie ziemi, a zatem tych miejsc, gdzie również w przyszłości potencjalnie może wystąpić to gwałtowne zjawisko sejsmiczne – mówi dr Krzysztof Gaidzik.

Dzięki wykonanej analizie numerycznego modelu terenu oraz interpretacji map topograficznych i zdjęć satelitarnych można wyznaczyć obszary potencjalnie dotknięte przez paleotrzęsienie ziemi, zaś dzięki metodom paleosejsmologicznym istnieje możliwość ich datowania – nawet kilkanaście tysięcy lat wstecz. 

– Tak daleko nie sięga oczywiście żadne z archiwów, przeszłość zapisana została jednak w rzeźbie terenu oraz w skałach, a ja próbuję nauczyć się ją „odczytywać” – wyjaśnia geolog.

Na początku celem projektu badawczego realizowanego w ramach stażu podoktorskiego na Narodowym Uniwersytecie Autonomicznym Meksyku (Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM) pod kierunkiem prof. Maríi Teresy Ramírez-Herrery było badanie struktur tektonicznych w skałach, począwszy od prekambryjskich gnejsów aż po najmłodsze osady aluwialne. Naukowiec chciał odpowiedzieć na pytanie, jaki jest wiek zaobserwowanych struktur, a zwłaszcza określić, które z nich są najmłodsze i mogą być potencjalnie związane z aktywnymi procesami tektonicznymi. Po zakończeniu wstępnych badań wyruszył po raz pierwszy w teren, by przyjrzeć się punktom badawczym wytypowanym wcześniej w oparciu o analizę numerycznego modelu terenu i map topograficznych.

– Starałem się znaleźć miejsca, gdzie nurt wody nienaturalnie skręca, tworzą się bystrza lub wodospady itp. Była to wskazówka, że w tym miejscu może przebiegać uskok tektoniczny potencjalnie nadal wykazujący aktywność, zwłaszcza gdy wytypowane miejsca nie korelowały się ze zmianami litologicznymi. Planowałem dotrzeć na miejsce, by spróbować określić, co wpłynęło na nietypowe ukształtowanie biegu rzeki – wyjaśnia geolog.

Niestety okazało się, że wiele z tych miejsc jest niedostępnych w wyniku spustoszenia, jakie dokonał w 2013 roku huragan Manuel.

– Interesujące mnie osady zostały w wyniku jego działania niejednokrotnie całkowicie zniszczone. Natura zweryfikowała moje plany, idea badania najmłodszych osadów pod kątem aktywności tektonicznej upadła. W związku z tym zmuszony zostałem do zmodyfikowania metodyki swoich badań – tłumaczy naukowiec.

Dr Krzysztof Gaidzik postanowił zatem badać mezouskoki w skałach różnego wieku i w efekcie prowadzonych analiz zrekonstruował układy naprężeń, które doprowadziły do powstania najmłodszych uskoków, najprawdopodobniej nadal aktywnych. Ocenił też ich wiek liczony w milionach lat. Geolog postanowił również znaleźć inny sposób badania aktywności tektonicznej i wraz z zespołem realizującym projekt badawczy podjął się analizy rzeźby terenu, wykorzystując tzw. wskaźniki morfometryczne.

„Czytanie” rzeźby terenu

Jak wyjaśnia dr Krzysztof Gaidzik, naukowcy analizowali przebieg rzek na wybranym przez nich obszarze, wygląd zboczy górskich, przebieg lineamentów, szukając wszelkich anomalii w krajobrazie będących dowodem aktywnych procesów tektonicznych. Badacze wyróżnili też pewne wskaźniki charakteryzujące rzeźbę terenu pozwalające ocenić relatywną intensywność aktywności tektonicznej na danym obszarze, co jest szczególnie istotne w procesie oceny zagrożenia sejsmicznego.

– Wykorzystywaliśmy w badaniach tak zwaną metodę SLAM (The Seismo-Lineament Analysis Method), która polega na wyznaczeniu przebiegu uskoku na powierzchni ziemi na podstawie analizy stosunkowo płytkich trzęsień ziemi. Po pierwsze odtworzyliśmy powierzchnie uskokowe mogące być odpowiedzialne za dane trzęsienie ziemi. Sprawdzaliśmy następnie, gdzie przecinałyby one powierzchnię Ziemi przy założeniu, że uskoki te charakteryzują się płaskimi powierzchniami i w miarę stałym kątem upadu. Gdy zidentyfikowaliśmy te miejsca, porównywaliśmy je z numerycznym modelem terenu, by sprawdzić, czy wyznaczony hipotetyczny przebieg uskoku zaznacza się w rzeźbie terenu np. w postaci wyraźnego lineamentu, zaburzenia sieci rzecznej itp. – wyjaśnia geolog.

Naukowcy badali również wskaźniki morfometryczne, takie jak profil podłużny rzeki, wskaźnik długości – spadku rzeki, wskaźnik stromości, całka hipsometryczna, czynnik poprzecznej asymetrii topograficznej, wskaźnik asymetrii zlewni i wiele innych. Wybrali kilka z nich, które ich zdaniem rzeczywiście obrazują aktywność tektoniczną na danym terenie.

Mapa podatności osuwiskowej

Osuwiska będące konsekwencją trzęsień ziemi są niejednokrotnie o wiele groźniejsze niż samo zjawisko sejsmiczne.

– Dwa lata temu media donosiły o tragicznym w skutkach trzęsieniu ziemi w Nepalu. Wstrząs ten, podobnie jak inne śmiercionośne trzęsienia ziemi, spowodował powstanie tysięcy osuwisk, jak chociażby to w dolinie Langtang, które spowodowało śmierć ponad 250 osób. Jednakże oprócz trzęsień ziemi tego typu zjawiska jeszcze częściej są generowane przez ekstremalne zjawiska klimatyczne. Dlatego badania osuwisk są szczególnie istotne w strefach występowania intensywnych opadów tropikalnych oraz na obszarach aktywnych sejsmicznie – mówi dr Gaidzik.

W przypadku Meksyku mamy połączenie obydwu tych elementów, stąd badania podatności osuwiskowej są tu palącą potrzebą. Celem kolejnego projektu było zatem opracowanie metody, która automatycznie, w oparciu o numeryczny model danego obszaru w wysokiej rozdzielczości, określa stopień zagrożenia osuwiskowego będącego następstwem gwałtownych zjawisk atmosferycznych czy tektonicznych.

– Dzięki temu narzędziu jesteśmy w stanie wskazać tereny bardziej zagrożone następstwami różnych wydarzeń. Władze lokalne mogą dzięki niemu zapobiegać tragicznym skutkom gwałtownych opadów czy trzęsień ziemi, dokonując np. przesiedlenia ludności zamieszkującej niebezpieczny teren bądź też wykonując odpowiednie prace prewencyjne czy przynajmniej ucząc ludność procedur w przypadku danego zagrożenia – wyjaśnia naukowiec. – Mówimy zresztą o tym, co dzieje się tu i teraz. Dramat, który przeżyli mieszkańcy La Pintady i okolic w 2013 roku, budzi wciąż żywe wspomnienia i sprawia, że zarówno ludność, jak i władze lokalne są zainteresowani efektami naszych badań.

Aby naukowcy mogli opracować mapę podatności osuwiskowej dla danego obszaru, potrzebują przede wszystkim modelu terenu o odpowiednio wysokiej rozdzielczości. Jego uzyskanie, jak wyjaśnia dr Gaidzik, wiąże się jednak z poniesieniem sporych kosztów przez lokalne władze, dlatego współpraca nie jest tak oczywista, jakby się mogło wydawać. – Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę potencjalne szkody będące następstwem gwałtownych zjawisk atmosferycznych czy tektonicznych, a przede wszystkich zagrożone wówczas życie mieszkańców, sądzę, że finansowe kalkulacje tracą na znaczeniu. Co więcej, raz zakupiony model dla danego obszaru jest wykorzystywany wielokrotnie, wystarczy go aktualizować, np. wykorzystując coraz bardziej popularne, a zatem sukcesywnie również coraz tańsze drony. Ponadto taki model może być wykorzystywany również w innych sektorach. Mówimy zatem o jednorazowo poniesionych kosztach przynoszących tak wiele korzyści nie tylko materialnych, ale przede wszystkim „ludzkich” – przekonuje geolog. Jak dodaje, im wyższa rozdzielczość obrazu, tym dokładniejsze przewidywania. Przy rekomendowanej jakości modelu naukowcy otrzymywali dokładność wskazań rzędu 90 proc. To wystarcza do podejmowania odpowiedzialnych decyzji przez lokalne władze na wypadek zagrożenia osunięcia się ziemi będącego następstwem zjawisk sejsmicznych czy atmosferycznych. Kolejnym atutem opracowanej metody jest szybkość oceny ryzyka wystąpienia osuwiska. Technika ta jest zautomatyzowana i pozwala osiągnąć interesujące wszystkich wyniki w znacznie krótszym czasie niż stosowana dotychczas metoda manualna sprowadzająca się m.in. do żmudnej i czasochłonnej analizy zdjęć lotniczych czy satelitarnych. 

– Przygotowane narzędzie jest uniwersalne i może być stosowane w odniesieniu do każdego obszaru o wysokim zagrożeniu osuwiskowym. Jednakże jak każdy projekt, również ten pozostawił wiele nowych pytań badawczych, które wymagają wnikliwej analizy i dalszych badań. 

Małgorzata Kłoskowicz

Artykuł ukazał się w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ" nr 7 (247) kwiecień 2017