Badanie przemieszczeń stabilnego obszaru

Na obszarze nieaktywnym tektonicznie można obserwować bardzo niewielkie przemieszczenia, które zgadzają się z przewidywaniami geologów. Jak wyznaczyć przesunięcie stukilometrowego odcinka o zaledwie pół milimetra rocznie? Arcydokładne obserwacje deformacji powierzchni ziemi w Polsce opisali w czasopiśmie „Tectonophysics” naukowcy z Państwowego Instytutu Geologicznego i Wojskowej Akademii Technicznej.

Jak sprawdzić, czy teren się odkształca?
Jak wyjaśnia dr inż. Andrzej Araszkiewicz z Instytutu Inżynierii Geoprzestrzennej i Geodezji na Wydziale Inżynierii Lądowej i Geodezji WAT, polskie stacje referencyjne od 1996 roku rejestrują sygnały GNSS. Odpowiednio przetworzone są przeliczane na położenie tych stacji.
– Działanie jest zbliżone do nawigacji w telefonach czy samochodzie, ale sam proces jest dużo bardziej skomplikowany i dzięki temu dokładniejszy. Wyznaczamy położenie każdej ze stacji każdego dnia z dokładnością 1–3 mm – tłumaczy współautor artykułu.

Na podstawie długoletnich zmian położenia punktu badacze wyznaczają ich średnie tempo, często zwane prędkościami stacji. Następnie badają wzajemne relacje ruchów poszczególnych stacji. – Jeśli dwie stacje bardzo powoli zbliżają się do siebie, to w idealnym przypadku możemy mówić, że nastąpiło pewne odkształcenie terenu. W ten sposób badamy charakter tempa deformacji – wyjaśnia dr Araszkiewicz. Przypomina, że pomiar dotyczy ruchu anteny zamontowanej na budynku. Naukowcy interpretują ten ruch geodynamicznie, a ostatecznie analizują cały obszar, aby mówić o tempie deformacji w całym kraju.

Niewielkie zagrożenia sejsmiczne bez efektów specjalnych
Większość obliczeń, takich jak opisane w artykule, prowadzi się w obszarach przy granicy płyt tektonicznych, gdzie wzajemne ich oddziaływania są widoczne na powierzchni Ziemi. Zagrożenia związane z sejsmicznością są tam dużo większe; w Europie to m.in. Grecja i Włochy. Skąd więc pomysł na wykorzystanie obserwacji terenów Polski?
– Postanowiliśmy sprawdzić, czy w regionach stabilnych tektonicznie pomiary GPS są zgodne z danymi geologicznymi. Oczywiście interpretacja danych musi być ostrożna. W Polsce odcinek stukilometrowy zmienia się zaledwie o około pół milimetra w ciągu roku! Pomijam tutaj obszary, gdzie sejsmiczność jest spowodowana działalnością człowieka. Tam deformacje są o wiele większe i z powodzeniem możemy mierzyć je od wielu lat – odpowiada naukowiec.
Podkreśla, że największym problemem jest dokładność i rząd wielkości tempa odkształcenia, którego można się spodziewać w Polsce. Tempo deformacji, które wyznaczają geodeci, nie przekłada się wprost na efektowne zjawiska na powierzchni Ziemi. Jednak wiedza o kierunkach tych odkształceń pozwala wskazywać obszary, gdzie kumulują się naprężenia w skorupie ziemskiej. Obserwacje GPS potwierdzają natomiast, że obszar Polski jest pod wpływem nacisku płyty afrykańskiej na płytę euroazjatycką.

Czy stabilny obszar może się przemieszczać?
Wiarygodność wyznaczanych odkształceń z obserwacji GPS jest już na tym samym poziomie co oczekiwane wartości deformacji. Co więcej, naukowcy skupili się na północnej Polsce, w części obejmującej prekambryjską platformę wschodnioeuropejską. Jest to najbardziej stabilna jednostka geologiczna – nie tylko w Polsce, ale także w Europie. W badaniach zwykle przyjmuje się ją jako obszar stanowiący stabilne odniesienie. Tymczasem geolodzy z WAT i PIG skupili się właśnie na nim. Jakie wyzwania napotkali w pogoni za dokładnością pomiaru?
– Pojawiają się pytania. Czy przemieszcza się grunt czy budynek? Czy ruch gruntu jest to jakieś lokalne osuwisko warstw sedymentacyjnych, czy wynika z deformacji całej struktury geologicznej? Dlatego ważna jest poprawna interpretacja wyników z pomiarów GPS – uzasadnia dr Araszkiewicz.

Ekspert GNSS z WAT od 10 lat współpracuje z naukowcami z PIG. Wspólnie opracowali mapę odkształceń dla obszaru całej Polski, której obraz był bardzo zgodny z ogólną wiedzą na temat rozkładu naprężenia w Polsce.
– Geologowie mierzą naprężenia w skorupie ziemskiej, my możemy dać im informacje o odkształceniach na powierzchni, czyli już efekcie działających sił pod powierzchnią – wyjaśnia podział zadań dr Araszkiewicz, który sam zajął się analizą zmian położenia stacji. Zadbał o odpowiednią filtrację pomiarów, dzięki czemu można było wykluczyć z dalszej interpretacji te ruchy stacji, które nie reprezentują rzeczywistych ruchów tektonicznych. W kolejnym kroku naukowiec policzył tempo odkształcenia, które naukowcy z PIG porównali z danymi geologicznymi.

Na wykonanie zadań w WAT pozwoliła infrastruktura Centrum Infrastruktury Badawczej Danych GNSS, współfinansowana z EFRR. Na Wydziale Inżynierii Lądowej i Geodezji WAT zbierane są obserwacje z rozproszonej infrastruktury GNSS w Polsce, tu również wykonuje się ich jednorodne opracowanie i wyznaczane są położenia stacji (http://www.gnss.wat.edu.pl/cibdg). Jest to także jedno z 16 europejskich Centrów Analiz GNSS, które zajmuje się pracami na rzecz utrzymania układu odniesienia w Europie wdrożonego w 44 krajach (w Polsce, poza WAT, zajmuje się tym tylko Politechnika Warszawska).

Współautorami artykułu pt. „Contemporary state of stress in a stable plate interior (northern Poland): The integration of satellite geodesy, borehole and seismological data” są: dr hab. Marek Jarosiński, mgr Kinga Bobek i dr Tomasz Gogołek z PIG.

Źródło: WAT