Георадиолокационные и электротомографические исследования в городских районах на примере Матеры (Южная Италия)
Белланова Джессика (Bellanova Jessica)
Институт методологий анализа состояния окружающей среды, г. Тито-Скало, Италия, jessica.bellanova@imaa.cnr.it
ООО "КБ Электрометрии"
Спонсор «ГеоИнфо»
НПО "Терразонд"
Спонсор «ГеоИнфо»
Предлагаем вниманию читателей «ГеоИнфо» адаптированный перевод статьи большой группы итальянских авторов «Георадиолокационные и электротомографические исследования в городских районах на примере Матеры (Южная Италия)». Она была опубликована в 2020 году в 12 выпуске рецензируемого интернет-журнала Remote Sensing («Дистанционное зондирование»), выпускаемого швейцарским издательством MDPI и индексируемого в Scopus, SCIE (Web of Science), Ei Compendex, AGRICOLA, GeoRef, Astrophysics Data System, Inspec, dblp и многих других базах данных.
Указанная статья находится в открытом доступе в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution (CC BY), поэтому ее можно использовать в некоммерческих и коммерческих целях, переводить или изменять при условии правильной ссылки на первоисточник.
Она носит практический характер и посвящена геофизическим исследованиям, проведенным в некоторых важных районах исторического города Матера (Южная Италия), который считают одним из самых древних в мире. Его территория характеризуется очень сложной приповерхностной стратиграфией, включающей и антропогенные, и природные объекты, и является гидрогеологически нестабильной. Поэтому Матера представляет собой идеальную и очень сложную «полевую лабораторию» для тестирования новых подходов к приповерхностным исследованиям в городских районах. В статье представлены результаты приповерхностных изысканий, проведенных с помощью совместного применения методов георадиолокации (GPR) и электроразведочной томографии (ERT). Обследования проводились на трех важных участках в городской черте Матеры: на Соборной площади (Пьяцца Дуомо), на площади Cвятого Иоанна (Пьяцца Сан-Джованни) и в городском парке Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д'Италия). Эти испытательные участки представляют большой интерес для археологических и архитектурно-археологических исследований и характеризуются склонностью к нестабильности грунта из-за наличия в нем различных полостей и других структур, образовавшихся под влиянием человеческой деятельности. Эффективность съемки была повышена за счет использования усовершенствованных методов 3D-электротомографии, которые позволили представить картину исследованного подземного пространства в трехмерном виде и получить информацию как о местоположении, так и о геометрии погребенных антропогенных объектов, а также о характеристиках неглубоко залегающих геологических слоев. Результаты этих исследований в настоящее время все еще вызывают интерес и изучаются муниципалитетом с целью поддержки реализации программ «умных городов» по более эффективному управлению подземным пространством.
Перевод подготовлен аналитической службой журнала «ГеоИнфо» при поддержке его спонсоров – ООО «КБ ЭЛЕКТРОМЕТРИИ» и НПО «ТЕРРАЗОНД».
Реклама
Реклама, 0+. ООО "КазГеоЛаб" ИНН 1660097939
erid:
2vfnxwv9vez
Каламита Джузеппе (Calamita Giuseppe)
Институт методологий анализа состояния окружающей среды, г. Тито-Скало, Италия, giuseppe.calamita@imaa.cnr.it
Катапано Илария (Catapano Ilaria)
Институт электромагнитных исследований окружающей среды, г. Неаполь, Италия, catapano.i@irea.cnr.it
Чуччи Алессандро (Ciucci Alessandro)
Компания Geostudi Astier S.r.l., г. Ливорно, Италия, ciucci@geostudiastier.com
Корнаккья Кармела (Cornacchia Carmela)
Институт методологий анализа состояния окружающей среды, г. Тито-Скало, Италия, carmela.cornacchia@imaa.cnr.it
Дженнарелли Джанлука (Gennarelli Gianluca)
Институт электромагнитных исследований окружающей среды, г. Неаполь, Италия, gennarelli.g@irea.cnr.it
Джоколи Алессандро (Giocoli Alessandro)
Исследовательский центр Trisaia Итальянского национального агентства по новым технологиям, энергетике и устойчивому экономическому развитию (ENEA), г. Ротонделла, Италия, alessandro.giocoli@enea.it
Физангер Федерико (Fisangher Federico)
Компания Geostudi Astier S.r.l., г. Ливорно, Италия, ?sangher@geostudiastier.com
Людено Джованни (Ludeno Giovanni)
Институт электромагнитных исследований окружающей среды, г. Неаполь, Италия, ludeno.g@irea.cnr.it
Морелли Джанфранко (Morelli Gianfranco)
Компания Geostudi Astier S.r.l., г. Ливорно, Италия, morelli@geostudiastier.com
Перроне Анджела (Perrone Angela)
Институт методологий анализа состояния окружающей среды, г. Тито-Скало, Италия, angela.perrone@imaa.cnr.it
Пищителли Сабатино (Piscitelli Sabatino)
Институт методологий анализа состояния окружающей среды, г. Тито-Скало, Италия, sabatino.piscitelli@imaa.cnr.it
Солдовьери Франческо (Soldovieri Francesco)
Институт электромагнитных исследований окружающей среды, Неаполь, Италия, soldovieri.f@irea.cnr.it
Лапенна Винченцо (Lapenna Vincenzo)
Институт методологий анализа состояния окружающей среды, г. Тито-Скало, Италия, vincenzo.lapenna@imaa.cnr.it (автор, ответственный за переписку)
1. ВВЕДЕНИЕ
Сегодня все больше становится понятной необходимость умного управления городскими территориями и их защиты. Понятие «умный город» тесно связано с его устойчивостью, которая должна быть обеспечена как в обычных ситуациях, так и при кризисных событиях [1–3]. А это возможно только при обеспечении надлежащего и взаимосвязанного функционирования критически важных частей инфраструктуры (энергетической, информационно-коммуникационной, транспортной и пр.).
Сценарии рисков для городских территорий и их инфраструктур являются комплексным результатом их уязвимости к опасностям, вызванным различными природными и антропогенными причинами. Эти рассуждения приводят к осознанию необходимости долгосрочного мониторинга и оценки состояния городов и их инженерных сетей [4–6].
В том числе крайне важно обеспечить мониторинг подземной среды и управление ею, что должно рассматриваться не только с точки зрения снижения факторов риска, но и с точки зрения поиска и эксплуатации объектов экономической, социальной и культурной ценности [7–9]. Действительно, приповерхностные грунтовые слои представляют собой «резервуары» важных для культуры и экономики города ресурсов (археологических объектов, инженерных сетей и т. д.), но при этом в подземном пространстве приходится продолжать строить стратегически важные подземные сооружения и сети (транспортные, трубопроводные, энергоснабжения и т. д.). Этот двойной аспект в числе прочих влечет за собой необходимость планировать действия, влияющие на подповерхностную среду. Ведь захороненные в ней археологические объекты могут быть факторами социального и экономического роста и в то же время препятствиями для деятельности по управлению городским хозяйством, поскольку их сохранение влечет за собой строгие ограничения в отношении планирования и выполнения инженерных работ.
Соответственно, одной из основных научных и технологических задач является разработка и комбинированное применение неинвазивных диагностических методов для получения 2D и 3D изображений городской подповерхностной среды с высоким разрешением [10].
В данной статье будут представлены первые результаты геофизических исследований, проведенных в нескольких важных городских районах исторического города Матера (регион Базиликата, Южная Италия), на которые может повлиять гидрогеологическая нестабильность. Эти изыскания были запланированы и проводились в рамках проекта «Облачная платформа и разумная визуализация подземных объектов для оценки природных рисков в районах “умных городов”» (CLARA Smart Cities – CLoud plAtform and smart underground imaging for natural RiskAssessment in urban areas for Smart Cities) и финансировались Министерством образования, университетов и исследований Италии (MIUR).
В 2019 году Матера была объявлена культурной столицей Европы, а ее исторический центр Сасси (Sassi) в 1993 году был занесен в Список объектов всемирного наследия ЮНЕСКО. В соответствующей декларации ЮНЕСКО указано: «Матера – наиболее выдающийся нетронутый образец поселения пещерных людей в Средиземноморском регионе, идеально адаптированный к его ландшафту и экосистеме. Первая населенная людьми зона относится к палеолиту, а более поздние поселения иллюстрируют ряд важных этапов в истории человечества».
Подземная среда современной городской части Матеры характеризуется множеством пустот и пещер, связанных с соответствующими особенностями приповерхностных грунтов, а также обилием старинных и совсем древних антропогенных объектов [11].
Данная статья посвящена геофизическим исследованиям, проведенным в трех самых интересных местах исторического центра Матеры, а именно: на Соборной площади (Пьяцца Дуомо), на площади Cвятого Иоанна (Пьяцца Сан-Джованни) и в городском парке Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д’Италия) (рис. 1). Эти работы проводились специально для того, чтобы выявить полости, археологические объекты и участки, подверженные микроосадкам и гидрогеологическим рискам.
Рис. 1. Исторический центр города Матера с указанием местоположений трех тестовых участков (на основе спутникового снимка с сайта Google Earth)
Здесь будут представлены результаты совместного применения геофизических методов георадиолокации (GPR) и электротомографии (ERT) для получения 2D и 3D изображений подземного пространства.
Георадиолокационные (георадарные) исследования применялись для изучения подповерхностных грунтовых слоев с очень высоким разрешением (в десятки сантиметров) в основном в целях выявления погребенных древних сооружений и определения их геометрических характеристик. Кроме того, эти работы имели решающее значение для обнаружения таких техногенных элементов, как трубопроводы и металлические арматурные конструкции.
Метод электротомографии позволил увеличить глубину исследований до нескольких десятков метров и был использован для получения информации не только об антропогенных объектах, но и, что еще более важно, о структурно-литологических элементах подземной среды с разрешением в несколько метров.
Полученные 2D и 3D изображения позволили реконструировать подповерхностные геологические условия и идентифицировать погребенные полости и археологические объекты. Результаты выявили потенциальные возможности предложенного комбинированного подхода, который можно рассматривать как полезный инструмент для поддержки планирования возможных вмешательств в подземную среду с учетом социальной и культурной ценности того или иного исследуемого участка.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
2.1. Места пробных исследований
Город Матера расположен в регионе Базиликата на юге Италии. Как уже отмечалось, в 1993 году он был внесен в Список объектов всемирного наследия ЮНЕСКО, а в 2019 году был признан культурной столицей Европы [12] благодаря наличию исторического центра Сасси и «Парка пещерных церквей» с доисторическими поселениями, включающими жилые и культовые помещения, и более поздними церквями, монастырями и скитами, построенными в естественных пещерах района Мурджа Матерана.
С геологической точки зрения территория городского района Матеры попадает в контекст возрастного и структурного перехода между прибрежной полосой Апулийской карбонатной платформы и Браданского молассового прогиба (по названию реки Брадано). Город Матера появился на восточном краю вышеуказанного прогиба, возникшего в среднем плиоцене в мезозойских альтамурских известняках и характеризующегося наличием двух поднятий, образовавшихся при тектонических движениях, – одного в юго-западной части города, называемого горстом Загарелла [13, 14], и второго в юго-восточной части, называемого горстом Матера (рис. 2). На известняковом субстрате осели калькаренитовые отложения, потом мелкодисперсные обломочные материалы, представленные плейстоценовыми морскими глинами, а затем песчаные и террасированные конгломератные отложения, замыкающие плиоценово-плейстоценовый осадочный цикл. Морфология этой территории, характеризующаяся глубокими узкими ущельями (теснинами) и голыми горными плато, в которые интегрировано множество древних пещерных церквей, пастушьих троп с колодцами вдоль них и укрепленных жилых помещений, образует один из самых ярких ландшафтов Средиземноморья [15].
Рис. 2. Геологические условия территории вокруг городской зоны Матеры (по данным Festa et al., 2018).
Как уже упоминалось, пробные геофизические исследования проводились на трех различных участках, представляющих собой наиболее важные места города.
Первым исследуемым участком была Соборная площадь (Пьяцца Дуомо) в самой высокой части Чивиты, считающейся наиболее старой городской частью Матеры, расположенной между Сассо Баризано и Сассо Кавеозо (пещерными кварталами в склонах скалистого ущелья, относящимися к древнему району Сасси, где обнажаются калькаренитовые отложения, толщина которых достигает примерно 40 м). На этой площади находится кафедральный собор Темноволосой Мадонны и Святого Евстафия (Мадонны делла-Бруна и Сант-Эустахио), построенный в XIII веке в апулийском романском стиле и являющийся главным местом католического богослужения в городе Матера и епархией архиепископа Матеры и Ирсины (Матеры-Ирсины). Этот район имеет огромное историческое и архитектурное значение и представляет собой место необычайной туристической привлекательности.
Вторая исследуемая территория – площадь Cвятого Иоанна (Пьяцца Сан-Джованни) – расположена за стенами древнего города. На ней находится церковь Cвятого Иоанна Крестителя (Сан-Джованни Баттиста) – культовое здание, построенное еще в средневековье и считающееся архитектурной жемчужиной благодаря изысканной архитектурной композиции и прекрасному убранству. Это памятник огромной исторической и архитектурной ценности, необыкновенно привлекательный для туристов, который должен быть сохранен и передан будущим поколениям.
Учитывая историческое и архитектурное значение обеих вышеуказанных площадей, а также ту роль, которую они играют для туризма в Матере, необходимо было провести углубленное изучение их подповерхностной среды, направленное на выявление полостей, пещер, подземелий и склепов, а также на определение границ территорий, на которые может быть оказано влияние гидрогеологической нестабильности, что имеет, можно сказать, стратегическое значение.
Третий район геофизических исследований – это городской парк Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д’Италия). Он расположен в современном районе города, где пылевато-глинистые грунты, принадлежащие к аллювиальным отложениям и формации субапеннинских глин, перекрывают калькаренитовые отложения. Парк занимает площадь около 3850 кв. м и имеет форму треугольника, вершины которого расположены на пересечениях трех улиц и направлены на северо-запад, юго-восток и юго-запад. Он был создан примерно в 1930-х годах, чтобы компенсировать ликвидацию заброшенного ботанического сада неподалеку, где был построен Дворец провинции Матера (Палаццо делла Провинция ди Матера) между улицами Ридола и Лукана (Виа Доменико Ридола и Виа Лукана). В нем много садово-парковых скульптур и атрибутов для отдыха, и там часто собирается множество граждан. В этом парке были запланированы геофизические исследования для картирования водонасыщенных зон, потенциально ответственных за микроосадки, и для изучения геометрических границ между пылевато-глинистыми слоями и калькаренитовыми грунтами.
Рис. 3. Линии съемки методами георадиолокации и электротомографии на Соборной площади (Пьяцца Дуомо) и расположение старого резервуара для хранения воды (на снимке с сайта Google Earth)
Для достижения полного охвата исследуемого участка было выполнено 8 проходов георадара Stream-X, поэтому после обработки в соответствии с томографическим подходом, описанным в разделе 2.2, было собрано 120 георадарограмм. На рисунке 4, а–е показаны горизонтальные срезы трехмерной реконструкции исследуемой области на следующих глубинах (z): 0,15; 0,69; 0,96; 0,99; 1,23; 1,50; 1,77 м. Эти изображения показывают наличие нескольких погребенных сооружений, используемых для накопления и хранения воды. В частности, конструкции, имеющие удлиненную форму, могут быть отнесены к каналам (трубопроводам), тогда как конструкции круглой и прямоугольной формы могут представлять собой резервуары. Интерпретация наиболее репрезентативных горизонтальных срезов дана на рисунке 5, где штриховые белые линии обрисовывают распознанные объекты. В частности, смотровой колодец, люк которого виден на каменной мостовой площади (см. рис. 3), отчетливо просматривается на томографическом изображении при z = 0,15 м (см. рис. 5, а). А круглый резервуар для хранения воды диаметром около 10 м становится видным на изображениях начиная с z = 0,69 м (см. рис. 5, б). Вода направлялась в этот резервуар с помощью наклонного канала (трубопровода), который начинает появляться на срезах начиная с глубины z = 0,69 м и полностью виден на изображении для z = 0,96 м (см. рис. 5, в). Это связано с наклоном указанной конструкции. На рисунке 5, в видны еще два канала (трубопровода). Один находится в левой части изображения и имеет длину около 10 м; а в районе y = 16 м появляется другой, небольшой, который связан с каналом (трубопроводом), идущим в сторону круглого резервуара.
Рис. 6. Результаты обработанных данных электротомографической съемки на исследуемом участке Соборной площади (Пьяцца Дуомо): a – 3D-модель; б – вертикальный 2D-разрез для средней части площади (зона высокого удельного электрического сопротивления связана с наличием подземного резервуара)
Рис. 10. Результаты интерпретации данных псевдотрехмерной георадиолокационной томографии. Примеры выявленных сооружений обрисованы штриховыми белыми линиями
Высокий уровень освоения человеком, наличие проволочных сеток и плохие контакты электродов сделали обработку электротомографических изображений невозможной и ненадежной. Геоэлектрические данные, полученные на площади Cвятого Иоанна (Пьяцца Сан-Джованни), были особенно зашумленными, и оказалось, что на них преобладают эффекты, вызванные вмешательством, проведенным в 2007 году при ремонте тротуара и подземных конструкций [28, 29]. Поэтому (с учетом наличия результатов георадарных исследований и начатых было полевых измерений удельного сопротивления) электротомографическая съемка в этом районе не проводилась.
3.3. Городской парк Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д’Италия)
С литологической точки зрения городской парк Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д’Италия)находится в городской зоне с наличием аллювиальных илистых отложений и более крупнозернистого материала. Эти аллювиальные грунты залегают на субапеннинских глинах, которые, в свою очередь, перекрывают отложения калькаренита (рис. 11). Присутствие глинистых материалов в неглубоко залегающих подповерхностных слоях предопределило план исследований только с помощью электротомографии. Действительно, высокая проводимость слоев глины (ρ < 10 Ом*м) сильно снижает глубину проникновения микроволн.
Электротомографические исследования выполнялись с помощью системы Syscal Pro Swich 96 с использованием 96 электродов, равномерно распределенных по поверхности. Измерения проводились по трем профилям, выбранным таким образом, чтобы минимизировать влияние антропогенного шума и избежать наличия препятствий для установки электродных датчиков. Для каждого профиля были получены разрезы удельного электрического сопротивления с использованием программы ERT Lab (см. рис. 11, а). Чтобы иметь пространственное представление о картине распределения удельного сопротивления, с помощью простой интерполяции была получена псевдотрехмерная карта (см. рис. 11, б).
Рис. 11. Результаты электротомографических исследований городского парка Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д'Италия): а – карта удельного электрического сопротивления на глубине 10 м, наложенная на космический снимок с сайта Google Earth (наличие зоны проводимости, связанной с присутствием аллювиальных отложений с высоким содержанием воды, и резкий контраст удельного сопротивления в правой части вполне очевидны); б – разрезы удельного электрического сопротивления, полученные по трем разным профилям, показанным красными прямыми линиями на рисунке 11, а
Анализ электротомографических изображений с учетом ограничений геологических полевых исследований позволяет выделить следующие четыре основных аспекта.
1. Наличие неглубоко залегающего восокоомного (100–200 Ом*м) слоя толщиной 2–3 м, который может быть связан с насыпным материалом, локально затронутым подземными коммуникациями.
2. Для результатов по всем профилям – наличие высокопроводящего (2–3 Ом*м) слоя, вероятно связанного с аллювиально-илистыми отложениями с заметным содержанием воды.
3. Наличие внизу слоя со средним (2–25 Ом*м) сопротивлением коррелирует с субапеннинскими глинами.
4. Идентификация справа на всех электротомографических изображениях сектора со значениями удельного электрического сопротивления в диапазоне 30–50 Ом*м, относящегося к калькаренитовому субстрату в гетероптическом контакте с субапеннинскими глинами, как указано на геологической карте [30]
4. ВЫВОДЫ
Напомним, что были выбраны три испытательных участка, расположенных в городской зоне Матеры: Соборная площадь (Пьяцца Дуомо), площадь Cвятого Иоанна (Пьяцца Сан-Джованни) и городской парк Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д’Италия). Это были интересные испытательные участки для применения новых методов электрической и электромагнитной томографии благодаря сложности геологических условий и наличию крупных и разрушенных антропогенных объектов в приповерхностных слоях. Интерпретация полученных результатов раскрыла способ обсуждения возможностей и ограничений методов георадиолокации и электротомографии в общем контексте городской геофизики (к сожалению, в самой статье не было раздела «Дискуссия», хотя результаты интерпретации были не то чтобы спорными, но неоднозначными. –Ред.).
Действительно, исторические районы Матеры представляют собой идеальную лабораторию под открытым небом для проверки способности методов георадиолокации и электротомографии выявлять и реконструировать геометрию подземных объектов, поскольку эта городская подповерхностная среда постоянно изменялась деятельностью человека на протяжении всей многотысячелетней истории города.
Использование томографического подхода к инверсии георадарных данных стало ключом к получению трехмерной геометрической реконструкции захороненных антропогенных объектов в сложной геологической среде. Примечательны результаты, полученные на Соборной площади (Пьяцца Дуомо), где была полностью реконструирована геометрия резервуара для хранения воды.
В то же время электротомография представляет собой мощный метод исследований подповерхностных слоев с гораздо меньшими ограничениями по глубине, но с более низким пространственным разрешением, чем у георадиолокационного метода. При этом использование электрической томографии дает информацию даже при наличии чрезвычайно высокопроводящих слоев, когда распространение сигналов георадара является сильно ограниченным. Результаты геофизических исследований, проведенных на испытательном участке городского парка Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д’Италия), подтверждают ключевую роль метода электротомографии в исследовании проводящей подземной среды.
На сегодняшний день совместное применение методов георадиолокации и электротомографии, использование новых томографических подходов при инверсии данных и методов информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) для визуализации данных можно рассматривать как мощный инструмент для получения трехмерных изображений подземного пространства в городских районах.
Что касается будущих направлений исследований, то комбинация методов георадиолокации и электротомографии с другими неинвазивными и экономичными датчиками (например, микроэлектромеханических систем для измерения нескольких параметров окружающей среды, волоконной оптики) и инструментами ИКТ для обмена геопространственными данными и визуализации будет играть ключевую роль в градостроительном проектировании.
Наконец, рассмотренные случаи из практики по исследованиям Матеры продемонстрировали возможность преобразования исторических центров в своего рода лаборатории, где исследователи, технические специалисты инновационных компаний, государственных учреждений и общественных организаций (в соответствии с четырехзвенной моделью инновационной деятельности) могут активно участвовать в разработке новых стратегий для умных и устойчивых городов.
—
Эта работа была поддержана проектом Clara (SCN_00451), финансируемым программой MIUR (Программой умных городов и сообществ и социальных инноваций, PON R&S 2007–2013).
Авторы благодарят администрацию Матеры и фонд Matera 2019 за их поддержку в организации геофизических исследований и распространении полученных научных результатов.
Георадиолокационные и электротомографические исследования в городских районах на примере Матеры (Южная Италия)
Bellanova Dzhessika (Bellanova Jessica)
Institut metodologiy analiza sostoyaniya okruzhayushchey sredy, g. Tito-Skalo, Italiya, jessica.bellanova@imaa.cnr.it
OOO "KB Elektrometrii"
Sponsor «GeoInfo»
NPO "Terrazond"
Sponsor «GeoInfo»
Каламита Джузеппе (Calamita Giuseppe)
Институт методологий анализа состояния окружающей среды, г. Тито-Скало, Италия, giuseppe.calamita@imaa.cnr.it
Катапано Илария (Catapano Ilaria)
Институт электромагнитных исследований окружающей среды, г. Неаполь, Италия, catapano.i@irea.cnr.it
Чуччи Алессандро (Ciucci Alessandro)
Компания Geostudi Astier S.r.l., г. Ливорно, Италия, ciucci@geostudiastier.com
Корнаккья Кармела (Cornacchia Carmela)
Институт методологий анализа состояния окружающей среды, г. Тито-Скало, Италия, carmela.cornacchia@imaa.cnr.it
Дженнарелли Джанлука (Gennarelli Gianluca)
Институт электромагнитных исследований окружающей среды, г. Неаполь, Италия, gennarelli.g@irea.cnr.it
Джоколи Алессандро (Giocoli Alessandro)
Исследовательский центр Trisaia Итальянского национального агентства по новым технологиям, энергетике и устойчивому экономическому развитию (ENEA), г. Ротонделла, Италия, alessandro.giocoli@enea.it
Физангер Федерико (Fisangher Federico)
Компания Geostudi Astier S.r.l., г. Ливорно, Италия, ?sangher@geostudiastier.com
Людено Джованни (Ludeno Giovanni)
Институт электромагнитных исследований окружающей среды, г. Неаполь, Италия, ludeno.g@irea.cnr.it
Морелли Джанфранко (Morelli Gianfranco)
Компания Geostudi Astier S.r.l., г. Ливорно, Италия, morelli@geostudiastier.com
Перроне Анджела (Perrone Angela)
Институт методологий анализа состояния окружающей среды, г. Тито-Скало, Италия, angela.perrone@imaa.cnr.it
Пищителли Сабатино (Piscitelli Sabatino)
Институт методологий анализа состояния окружающей среды, г. Тито-Скало, Италия, sabatino.piscitelli@imaa.cnr.it
Солдовьери Франческо (Soldovieri Francesco)
Институт электромагнитных исследований окружающей среды, Неаполь, Италия, soldovieri.f@irea.cnr.it
Лапенна Винченцо (Lapenna Vincenzo)
Институт методологий анализа состояния окружающей среды, г. Тито-Скало, Италия, vincenzo.lapenna@imaa.cnr.it (автор, ответственный за переписку)
1. ВВЕДЕНИЕ
Сегодня все больше становится понятной необходимость умного управления городскими территориями и их защиты. Понятие «умный город» тесно связано с его устойчивостью, которая должна быть обеспечена как в обычных ситуациях, так и при кризисных событиях [1–3]. А это возможно только при обеспечении надлежащего и взаимосвязанного функционирования критически важных частей инфраструктуры (энергетической, информационно-коммуникационной, транспортной и пр.).
Сценарии рисков для городских территорий и их инфраструктур являются комплексным результатом их уязвимости к опасностям, вызванным различными природными и антропогенными причинами. Эти рассуждения приводят к осознанию необходимости долгосрочного мониторинга и оценки состояния городов и их инженерных сетей [4–6].
В том числе крайне важно обеспечить мониторинг подземной среды и управление ею, что должно рассматриваться не только с точки зрения снижения факторов риска, но и с точки зрения поиска и эксплуатации объектов экономической, социальной и культурной ценности [7–9]. Действительно, приповерхностные грунтовые слои представляют собой «резервуары» важных для культуры и экономики города ресурсов (археологических объектов, инженерных сетей и т. д.), но при этом в подземном пространстве приходится продолжать строить стратегически важные подземные сооружения и сети (транспортные, трубопроводные, энергоснабжения и т. д.). Этот двойной аспект в числе прочих влечет за собой необходимость планировать действия, влияющие на подповерхностную среду. Ведь захороненные в ней археологические объекты могут быть факторами социального и экономического роста и в то же время препятствиями для деятельности по управлению городским хозяйством, поскольку их сохранение влечет за собой строгие ограничения в отношении планирования и выполнения инженерных работ.
Соответственно, одной из основных научных и технологических задач является разработка и комбинированное применение неинвазивных диагностических методов для получения 2D и 3D изображений городской подповерхностной среды с высоким разрешением [10].
В данной статье будут представлены первые результаты геофизических исследований, проведенных в нескольких важных городских районах исторического города Матера (регион Базиликата, Южная Италия), на которые может повлиять гидрогеологическая нестабильность. Эти изыскания были запланированы и проводились в рамках проекта «Облачная платформа и разумная визуализация подземных объектов для оценки природных рисков в районах “умных городов”» (CLARA Smart Cities – CLoud plAtform and smart underground imaging for natural RiskAssessment in urban areas for Smart Cities) и финансировались Министерством образования, университетов и исследований Италии (MIUR).
В 2019 году Матера была объявлена культурной столицей Европы, а ее исторический центр Сасси (Sassi) в 1993 году был занесен в Список объектов всемирного наследия ЮНЕСКО. В соответствующей декларации ЮНЕСКО указано: «Матера – наиболее выдающийся нетронутый образец поселения пещерных людей в Средиземноморском регионе, идеально адаптированный к его ландшафту и экосистеме. Первая населенная людьми зона относится к палеолиту, а более поздние поселения иллюстрируют ряд важных этапов в истории человечества».
Подземная среда современной городской части Матеры характеризуется множеством пустот и пещер, связанных с соответствующими особенностями приповерхностных грунтов, а также обилием старинных и совсем древних антропогенных объектов [11].
Данная статья посвящена геофизическим исследованиям, проведенным в трех самых интересных местах исторического центра Матеры, а именно: на Соборной площади (Пьяцца Дуомо), на площади Cвятого Иоанна (Пьяцца Сан-Джованни) и в городском парке Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д’Италия) (рис. 1). Эти работы проводились специально для того, чтобы выявить полости, археологические объекты и участки, подверженные микроосадкам и гидрогеологическим рискам.
Рис. 1. Исторический центр города Матера с указанием местоположений трех тестовых участков (на основе спутникового снимка с сайта Google Earth)
Здесь будут представлены результаты совместного применения геофизических методов георадиолокации (GPR) и электротомографии (ERT) для получения 2D и 3D изображений подземного пространства.
Георадиолокационные (георадарные) исследования применялись для изучения подповерхностных грунтовых слоев с очень высоким разрешением (в десятки сантиметров) в основном в целях выявления погребенных древних сооружений и определения их геометрических характеристик. Кроме того, эти работы имели решающее значение для обнаружения таких техногенных элементов, как трубопроводы и металлические арматурные конструкции.
Метод электротомографии позволил увеличить глубину исследований до нескольких десятков метров и был использован для получения информации не только об антропогенных объектах, но и, что еще более важно, о структурно-литологических элементах подземной среды с разрешением в несколько метров.
Полученные 2D и 3D изображения позволили реконструировать подповерхностные геологические условия и идентифицировать погребенные полости и археологические объекты. Результаты выявили потенциальные возможности предложенного комбинированного подхода, который можно рассматривать как полезный инструмент для поддержки планирования возможных вмешательств в подземную среду с учетом социальной и культурной ценности того или иного исследуемого участка.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
2.1. Места пробных исследований
Город Матера расположен в регионе Базиликата на юге Италии. Как уже отмечалось, в 1993 году он был внесен в Список объектов всемирного наследия ЮНЕСКО, а в 2019 году был признан культурной столицей Европы [12] благодаря наличию исторического центра Сасси и «Парка пещерных церквей» с доисторическими поселениями, включающими жилые и культовые помещения, и более поздними церквями, монастырями и скитами, построенными в естественных пещерах района Мурджа Матерана.
С геологической точки зрения территория городского района Матеры попадает в контекст возрастного и структурного перехода между прибрежной полосой Апулийской карбонатной платформы и Браданского молассового прогиба (по названию реки Брадано). Город Матера появился на восточном краю вышеуказанного прогиба, возникшего в среднем плиоцене в мезозойских альтамурских известняках и характеризующегося наличием двух поднятий, образовавшихся при тектонических движениях, – одного в юго-западной части города, называемого горстом Загарелла [13, 14], и второго в юго-восточной части, называемого горстом Матера (рис. 2). На известняковом субстрате осели калькаренитовые отложения, потом мелкодисперсные обломочные материалы, представленные плейстоценовыми морскими глинами, а затем песчаные и террасированные конгломератные отложения, замыкающие плиоценово-плейстоценовый осадочный цикл. Морфология этой территории, характеризующаяся глубокими узкими ущельями (теснинами) и голыми горными плато, в которые интегрировано множество древних пещерных церквей, пастушьих троп с колодцами вдоль них и укрепленных жилых помещений, образует один из самых ярких ландшафтов Средиземноморья [15].
Рис. 2. Геологические условия территории вокруг городской зоны Матеры (по данным Festa et al., 2018).
Как уже упоминалось, пробные геофизические исследования проводились на трех различных участках, представляющих собой наиболее важные места города.
Первым исследуемым участком была Соборная площадь (Пьяцца Дуомо) в самой высокой части Чивиты, считающейся наиболее старой городской частью Матеры, расположенной между Сассо Баризано и Сассо Кавеозо (пещерными кварталами в склонах скалистого ущелья, относящимися к древнему району Сасси, где обнажаются калькаренитовые отложения, толщина которых достигает примерно 40 м). На этой площади находится кафедральный собор Темноволосой Мадонны и Святого Евстафия (Мадонны делла-Бруна и Сант-Эустахио), построенный в XIII веке в апулийском романском стиле и являющийся главным местом католического богослужения в городе Матера и епархией архиепископа Матеры и Ирсины (Матеры-Ирсины). Этот район имеет огромное историческое и архитектурное значение и представляет собой место необычайной туристической привлекательности.
Вторая исследуемая территория – площадь Cвятого Иоанна (Пьяцца Сан-Джованни) – расположена за стенами древнего города. На ней находится церковь Cвятого Иоанна Крестителя (Сан-Джованни Баттиста) – культовое здание, построенное еще в средневековье и считающееся архитектурной жемчужиной благодаря изысканной архитектурной композиции и прекрасному убранству. Это памятник огромной исторической и архитектурной ценности, необыкновенно привлекательный для туристов, который должен быть сохранен и передан будущим поколениям.
Учитывая историческое и архитектурное значение обеих вышеуказанных площадей, а также ту роль, которую они играют для туризма в Матере, необходимо было провести углубленное изучение их подповерхностной среды, направленное на выявление полостей, пещер, подземелий и склепов, а также на определение границ территорий, на которые может быть оказано влияние гидрогеологической нестабильности, что имеет, можно сказать, стратегическое значение.
Третий район геофизических исследований – это городской парк Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д’Италия). Он расположен в современном районе города, где пылевато-глинистые грунты, принадлежащие к аллювиальным отложениям и формации субапеннинских глин, перекрывают калькаренитовые отложения. Парк занимает площадь около 3850 кв. м и имеет форму треугольника, вершины которого расположены на пересечениях трех улиц и направлены на северо-запад, юго-восток и юго-запад. Он был создан примерно в 1930-х годах, чтобы компенсировать ликвидацию заброшенного ботанического сада неподалеку, где был построен Дворец провинции Матера (Палаццо делла Провинция ди Матера) между улицами Ридола и Лукана (Виа Доменико Ридола и Виа Лукана). В нем много садово-парковых скульптур и атрибутов для отдыха, и там часто собирается множество граждан. В этом парке были запланированы геофизические исследования для картирования водонасыщенных зон, потенциально ответственных за микроосадки, и для изучения геометрических границ между пылевато-глинистыми слоями и калькаренитовыми грунтами.
Рис. 3. Линии съемки методами георадиолокации и электротомографии на Соборной площади (Пьяцца Дуомо) и расположение старого резервуара для хранения воды (на снимке с сайта Google Earth)
Для достижения полного охвата исследуемого участка было выполнено 8 проходов георадара Stream-X, поэтому после обработки в соответствии с томографическим подходом, описанным в разделе 2.2, было собрано 120 георадарограмм. На рисунке 4, а–е показаны горизонтальные срезы трехмерной реконструкции исследуемой области на следующих глубинах (z): 0,15; 0,69; 0,96; 0,99; 1,23; 1,50; 1,77 м. Эти изображения показывают наличие нескольких погребенных сооружений, используемых для накопления и хранения воды. В частности, конструкции, имеющие удлиненную форму, могут быть отнесены к каналам (трубопроводам), тогда как конструкции круглой и прямоугольной формы могут представлять собой резервуары. Интерпретация наиболее репрезентативных горизонтальных срезов дана на рисунке 5, где штриховые белые линии обрисовывают распознанные объекты. В частности, смотровой колодец, люк которого виден на каменной мостовой площади (см. рис. 3), отчетливо просматривается на томографическом изображении при z = 0,15 м (см. рис. 5, а). А круглый резервуар для хранения воды диаметром около 10 м становится видным на изображениях начиная с z = 0,69 м (см. рис. 5, б). Вода направлялась в этот резервуар с помощью наклонного канала (трубопровода), который начинает появляться на срезах начиная с глубины z = 0,69 м и полностью виден на изображении для z = 0,96 м (см. рис. 5, в). Это связано с наклоном указанной конструкции. На рисунке 5, в видны еще два канала (трубопровода). Один находится в левой части изображения и имеет длину около 10 м; а в районе y = 16 м появляется другой, небольшой, который связан с каналом (трубопроводом), идущим в сторону круглого резервуара.
Рис. 6. Результаты обработанных данных электротомографической съемки на исследуемом участке Соборной площади (Пьяцца Дуомо): a – 3D-модель; б – вертикальный 2D-разрез для средней части площади (зона высокого удельного электрического сопротивления связана с наличием подземного резервуара)
Рис. 10. Результаты интерпретации данных псевдотрехмерной георадиолокационной томографии. Примеры выявленных сооружений обрисованы штриховыми белыми линиями
Высокий уровень освоения человеком, наличие проволочных сеток и плохие контакты электродов сделали обработку электротомографических изображений невозможной и ненадежной. Геоэлектрические данные, полученные на площади Cвятого Иоанна (Пьяцца Сан-Джованни), были особенно зашумленными, и оказалось, что на них преобладают эффекты, вызванные вмешательством, проведенным в 2007 году при ремонте тротуара и подземных конструкций [28, 29]. Поэтому (с учетом наличия результатов георадарных исследований и начатых было полевых измерений удельного сопротивления) электротомографическая съемка в этом районе не проводилась.
3.3. Городской парк Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д’Италия)
С литологической точки зрения городской парк Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д’Италия)находится в городской зоне с наличием аллювиальных илистых отложений и более крупнозернистого материала. Эти аллювиальные грунты залегают на субапеннинских глинах, которые, в свою очередь, перекрывают отложения калькаренита (рис. 11). Присутствие глинистых материалов в неглубоко залегающих подповерхностных слоях предопределило план исследований только с помощью электротомографии. Действительно, высокая проводимость слоев глины (ρ < 10 Ом*м) сильно снижает глубину проникновения микроволн.
Электротомографические исследования выполнялись с помощью системы Syscal Pro Swich 96 с использованием 96 электродов, равномерно распределенных по поверхности. Измерения проводились по трем профилям, выбранным таким образом, чтобы минимизировать влияние антропогенного шума и избежать наличия препятствий для установки электродных датчиков. Для каждого профиля были получены разрезы удельного электрического сопротивления с использованием программы ERT Lab (см. рис. 11, а). Чтобы иметь пространственное представление о картине распределения удельного сопротивления, с помощью простой интерполяции была получена псевдотрехмерная карта (см. рис. 11, б).
Рис. 11. Результаты электротомографических исследований городского парка Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д'Италия): а – карта удельного электрического сопротивления на глубине 10 м, наложенная на космический снимок с сайта Google Earth (наличие зоны проводимости, связанной с присутствием аллювиальных отложений с высоким содержанием воды, и резкий контраст удельного сопротивления в правой части вполне очевидны); б – разрезы удельного электрического сопротивления, полученные по трем разным профилям, показанным красными прямыми линиями на рисунке 11, а
Анализ электротомографических изображений с учетом ограничений геологических полевых исследований позволяет выделить следующие четыре основных аспекта.
1. Наличие неглубоко залегающего восокоомного (100–200 Ом*м) слоя толщиной 2–3 м, который может быть связан с насыпным материалом, локально затронутым подземными коммуникациями.
2. Для результатов по всем профилям – наличие высокопроводящего (2–3 Ом*м) слоя, вероятно связанного с аллювиально-илистыми отложениями с заметным содержанием воды.
3. Наличие внизу слоя со средним (2–25 Ом*м) сопротивлением коррелирует с субапеннинскими глинами.
4. Идентификация справа на всех электротомографических изображениях сектора со значениями удельного электрического сопротивления в диапазоне 30–50 Ом*м, относящегося к калькаренитовому субстрату в гетероптическом контакте с субапеннинскими глинами, как указано на геологической карте [30]
4. ВЫВОДЫ
Напомним, что были выбраны три испытательных участка, расположенных в городской зоне Матеры: Соборная площадь (Пьяцца Дуомо), площадь Cвятого Иоанна (Пьяцца Сан-Джованни) и городской парк Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д’Италия). Это были интересные испытательные участки для применения новых методов электрической и электромагнитной томографии благодаря сложности геологических условий и наличию крупных и разрушенных антропогенных объектов в приповерхностных слоях. Интерпретация полученных результатов раскрыла способ обсуждения возможностей и ограничений методов георадиолокации и электротомографии в общем контексте городской геофизики (к сожалению, в самой статье не было раздела «Дискуссия», хотя результаты интерпретации были не то чтобы спорными, но неоднозначными. –Ред.).
Действительно, исторические районы Матеры представляют собой идеальную лабораторию под открытым небом для проверки способности методов георадиолокации и электротомографии выявлять и реконструировать геометрию подземных объектов, поскольку эта городская подповерхностная среда постоянно изменялась деятельностью человека на протяжении всей многотысячелетней истории города.
Использование томографического подхода к инверсии георадарных данных стало ключом к получению трехмерной геометрической реконструкции захороненных антропогенных объектов в сложной геологической среде. Примечательны результаты, полученные на Соборной площади (Пьяцца Дуомо), где была полностью реконструирована геометрия резервуара для хранения воды.
В то же время электротомография представляет собой мощный метод исследований подповерхностных слоев с гораздо меньшими ограничениями по глубине, но с более низким пространственным разрешением, чем у георадиолокационного метода. При этом использование электрической томографии дает информацию даже при наличии чрезвычайно высокопроводящих слоев, когда распространение сигналов георадара является сильно ограниченным. Результаты геофизических исследований, проведенных на испытательном участке городского парка Объединения Италии (Вилла Комунале дель-Унита д’Италия), подтверждают ключевую роль метода электротомографии в исследовании проводящей подземной среды.
На сегодняшний день совместное применение методов георадиолокации и электротомографии, использование новых томографических подходов при инверсии данных и методов информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) для визуализации данных можно рассматривать как мощный инструмент для получения трехмерных изображений подземного пространства в городских районах.
Что касается будущих направлений исследований, то комбинация методов георадиолокации и электротомографии с другими неинвазивными и экономичными датчиками (например, микроэлектромеханических систем для измерения нескольких параметров окружающей среды, волоконной оптики) и инструментами ИКТ для обмена геопространственными данными и визуализации будет играть ключевую роль в градостроительном проектировании.
Наконец, рассмотренные случаи из практики по исследованиям Матеры продемонстрировали возможность преобразования исторических центров в своего рода лаборатории, где исследователи, технические специалисты инновационных компаний, государственных учреждений и общественных организаций (в соответствии с четырехзвенной моделью инновационной деятельности) могут активно участвовать в разработке новых стратегий для умных и устойчивых городов.
—
Эта работа была поддержана проектом Clara (SCN_00451), финансируемым программой MIUR (Программой умных городов и сообществ и социальных инноваций, PON R&S 2007–2013).
Авторы благодарят администрацию Матеры и фонд Matera 2019 за их поддержку в организации геофизических исследований и распространении полученных научных результатов.
Оформить подписку
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку