Czwarty wymiar geologii

Kartografia 4D – to nowe narzędzie geologów dbających o bezpieczeństwo ludzi i infrastruktury na polskim wybrzeżu. Trwa tam nieustanna walka człowieka z naturą. Morze niszczy brzeg i zagraża jego mieszkańcom. Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy (PIG-PIB) od lat zaangażowany jest w badania wybrzeża i prognozowanie jego zmian.

O geologii 3D już pisaliśmy. Kartografia 4D wykorzystuje jej metody wzbogacone o element czasu. Dzięki niej można w funkcji czasu śledzić i prognozować przemiany wybrzeża, czy ruchy masowe ziemi. Prace badawcze prowadzone przez geologów Instytutu służą bezpieczeństwu mieszkańców, ale też ochronie brzegu morskiego, czy właściwemu planowaniu przestrzennemu.

Obszary nadmorskie od zawsze pełniły znaczącą rolę ze względów gospodarczych, politycznych czy społecznych. Dlatego też geolodzy przykładają szczególną wagę do zagrożeń wynikających ze specyficznego kontaktu środowiska morskiego i lądowego.

Abrazja i ruchy masowe ziemi należą do głównych procesów geodynamicznych kształtujących brzegi morskie na całym globie. Jednak pozorna, prosta zależność pomiędzy erozją a zmianami wybrzeża jest w rzeczywistości znacznie bardziej skomplikowana. Złożone procesy zachodzące na brzegach morskich są generowane przez wiele powiązanych ze sobą czynników, takich jak: budowa geologiczna i geomorfologia, warunki hydrogeologiczne, hydrologiczno-hydrodynamiczne, czy wreszcie zjawiska klimatyczne. Czynniki te, w różnych kombinacjach mogą prowadzić do przemian systemu wybrzeża morskiego. Niektóre z tych przemian, mogą być postrzegane, jako negatywne w skutkach, a poprzez stały swój rozwój zaczynają stanowić istotny problem. Przewidywanie miejsc ich powstawania jest niezwykle skomplikowane. Nawet, jeśli dysponujemy długoterminowymi obserwacjami, zmienny w czasie trend jest trudny do interpretacji.

Dlatego też Oddział Geologii Morza PIG-PIB w Gdańsku, w ramach zadań państwowej służby geologicznej prowadzi prace obejmujące wieloetapowy program badań „Kartografia 4D w strefie brzegowej południowego Bałtyku”. Dotyczy on rozpoznania struktury geologicznej części lądowej i morskiej wybrzeża, określenie warunków hydrogeologicznych, zdefiniowania i oceny geozagrożeń wraz z analizą zmian linii brzegowej oraz skutków tych zmian dla infrastruktury, siedlisk przyrodniczych, jak również głównych zbiorników wód słodkich. Gromadzony materiał dokumentacyjny ma służyć do modelowania procesów erozji/akumulacji w strefie brzegowej i prognozowania ewolucji linii brzegowej.

Podstawą i głównym celem „Kartografii 4D w strefie brzegowej południowego Bałtyku” jest przedstawienie możliwie najwierniejszego obrazu budowy geologicznej poprzez stworzenie przestrzennych modeli geologiczno-morfometrycznych i modelu prognostycznego zmian wybrzeża, zmiennych w funkcji czasu. Długookresowa prognoza zmian linii brzegowej Bałtyku ma istotne znaczenie dla zagospodarowania strefy przybrzeżnej morza, w tym lokalizacji dużych inwestycji infrastrukturalnych oraz wyboru optymalnych metod ochrony brzegu morskiego.

Projekt badawczy „Kartografia 4D” ruszył w 2012 roku i obejmował obszar badań pilotażowych zlokalizowanych w rejonie Jastrzębiej Góry o powierzchni 16 km2. W przybliżeniu połowa tego obszaru leżała w obrębie Bałtyku. Długość linii brzegowej wynosiła 4 km, w tym około 2,5 km przypadało na brzeg klifowy a 1,5 km na brzeg wydmowy.

W ramach projektu wykonano szereg prac i robót terenowych oraz badań laboratoryjnych służących zweryfikowaniu istniejących i pozyskaniu nowych danych, niezbędnych do sporządzenia map tematycznych, przekrojów geologicznych i modeli morfometrycznych, geologicznych i hydrogeologicznych. Metodyka oraz zakres prac zostały dostosowane do specyfiki badanego obszaru obejmującego brzeg morski, zaplecze lądowe i przyległy akwen w sposób umożliwiający osiągnięcie celu badawczego. Rozwój technologii sprawia, że możliwym staje się pozyskiwanie coraz dokładniejszych danych pomiarowych. Implementacja nowych metod a także kompilowanie ich z już istniejącymi, tradycyjnymi. Pozwala na analizę danych na niedostępnym dotąd poziomie. Dobrym tego przykładem jest model zestawiony na podstawie danych batymetrycznych, naziemnego skaningu laserowego oraz lotniczego skaningu laserowego bądź liczne modele różnicowe ukazujące przyrost/ubytek mas skalnych w obrębie wybrzeża (Fig. 1).

4d fig. 1

Fig. 1. Model parametrów wysokościowych wykonany dla obszaru „pilotażowego” (rejon Jastrzębiej Góry)

Znaczącym efektem prac są zebrane i przetworzone dane niezbędne dla rozpoznania morfometrii i morfogenezy strefy brzegowej, budowy geologicznej i warunków hydrogeologicznych. Dane te stanowią zaczątek bazy wiedzy na potrzeby „Kartografii 4D” oraz są zwizualizowane na mapach, przekrojach i modelach. Głównym efektem analizy morfologicznej jest mapa morfogenezy obszaru oraz trójwymiarowe modele morfometryczne brzegu. Budowa geologiczna została zobrazowana na przekrojach geologicznych i modelach przestrzennych oraz mapie litogenetycznej i mapach wybranych parametrów litologicznych. Został też opracowany trójwymiarowy model warunków hydrogeologicznych nadmorskiego systemu wodonośnego także pozwalający na analizowanie zmian hydrodynamicznych w funkcji czasu.

Realizacja projektu pozwoliła uszczegółowić obraz budowy geologicznej w stosunku do dotychczasowego rozpoznania. Uzyskany aktualny obraz budowy geologicznej brzegu morskiego unaocznił duże zróżnicowanie geomorfologiczne i litogenetyczne osadów oraz złożone warunki hydrogeologiczne. Zróżnicowanie to ma kluczowy wpływ na podatność brzegu morskiego na niszczącą działalność morza, która oddziałuje na wszystkie badane typy wybrzeża.

Kompleksowe badania geofizyczne i geologiczne dna morskiego umożliwiły szczegółowe rozpoznanie rodzaju osadów występujących na dnie morskim oraz konstrukcję przestrzennego modelu miąższości morskiej pokrywy osadowej (Fig. 2).

4d fig. 2

Fig. 2. Model geologiczny 3D płytkich struktur dna morskiego w rejonie Jastrzębiej Góry

Niemal wszystkie pozyskane w tym etapie prac dane geologiczne są geoprzetwarzalne, co oznacza, że mogą stanowić materiał wyjściowy do kolejnej obróbki. Generowane w ten sposób informacje gromadzone są w „Bazie wiedzy o wybrzeżu” rozumianej, jako podsystem istniejącej bazy NEPTUN działającej w ramach Centralnej Bazy Danych Geologicznych i porządkować będzie dane morfologiczne – w tym warstwy informacyjne GIS, geologiczne, hydrogeologiczne, etc., służące jako zasób informacji niezbędnych do budowy matematycznych modeli procesów geodynamicznych. Dane te mogą być wykorzystywane również w celu monitorowania i aktualizowania potencjalnych zmian wybrzeża morskiego (Fig. 3).

4d fig. 3

Fig. 3. Wieloskalowa analiza zmian linii brzegowej na tle różnicowego modelu terenu. Przerywana linia odnosi się do zmian w cyklu ~ 100 letnim. Natomiast barwne pola ukazują zmiany w cyklu 5 letnim. Kolor zielony odpowiada przyrostom, a kolor czerwony ubytkom osadu

Obecnie prace prowadzone są pomiędzy Władysławowem i Lubiatowem w rejonie sąsiadującym z obszarem „pilotażowym”. W tym rejonie badawczym długość linii brzegowej wynosi 33 km, z czego około 5 km przypada na brzeg klifowy a 28 km na brzeg wydmowy. Powierzchnia tego obszaru sięga 130 km2.

Prowadzone są tam roboty geologicznej kartografii powierzchniowej, w ramach, której obok tradycyjnych sond ręcznych wykonuje się wiercenia mechaniczne o łącznym metrażu przekraczającym 1400 mb (Fig. 4).

4d fig. 4

Fig. 4. Prace terenowe – wiercenia na wybrzeżu

Jednocześnie wykorzystując specyficzne uwarunkowania morfologiczne – strome brzegi morskie, przeprowadzono prace badawcze w obrębie istniejących i periodycznie ujawniających się nowych odsłonięć w ścianach klifów. Pozwala to na opisanie profili geologicznych sięgających kilkudziesięciu metrów wysokości oraz odsłonięć rozciągających się na znacznym obszarze. Wykonując te prace uzupełnialiśmy je o kartografię osuwiskową co pozwoliło na weryfikację istniejącego katalogu osuwisk, dokładniejsze ich poznanie oraz rozpoznanie mechanizmów rozwoju stromych brzegów klifowych zbudowanych z osadów nieskonsolidowanych (Fig. 5).

4d fig. 5

Fig. 5. Przekrój geologiczny przez wysoczyznę morenową, klif i osuwisko w rejonie Jastrzębiej Góry. 1 – piaski eoliczne; 2 – piaski morskie; 3 – koluwium; 4 – piaski drobnoziarniste (glaciofluwialne); 5 - gliny; 6 – muły i iły (zaburzone glacitektonicznie); 7 – piaski i żwiry (glaciofluwialne?); 8 – piaski (glacialne); 9 – piaski, muły i iły; 10 – piaski i żwiry; 11 – piaski drobnoziarniste z glaukonitem; linia przerywana – granica czwartorzęd/neogen

Równolegle prowadzone są badania geofizyczne – elektrooporowe, głównie wzdłuż linii brzegowej, jak również pomiary geodezyjne z zastosowaniem naziemnego skanera laserowego. Obecnie badacze dysponują pełnym zobrazowaniem numerycznym odcinka klifowego pomiędzy Władysławowem a Jastrzębia Górą (Fig. 6).

4d fig. 6

Fig. 6. Rzeźba terenu w rejonie rezerwatu przyrody „Dolina Chłapowska” (Wąwóz Rudnik). Model wykonany na podstawie danych naziemnego i lotniczego skaningu laserowego

Niemniej ważne są prace prowadzone na morzu. Pierwszy raz w swojej historii Oddział Geologii Morza dysponuje własną jednostką badawczą – łodzią motorową, przeznaczoną i przystosowaną do badań hydrograficznych i geofizycznych. Może ona operować na wodach przybrzeżnych i śródlądowych. Oprócz standardowych urządzeń nawigacyjnych i komunikacyjnych została wyposażona w wielozakresowy system badań geofizycznych dna morskiego, system batymetryczny oraz morski system GPS RTN. Systemy te zapewniają możliwość jednoczesnego prowadzania pomiarów i rejestrowania danych, przy użyciu wielu metod akustycznych (Fig. 7). Gęstość profili batymetrycznych i sonarowych powinna zapewnić możliwie pełne pokrycie powierzchni dna umożliwiającego konstrukcję modelu oraz złożenie mozaiki sonarowej z rozdzielczością nie gorszą niż 2 m.

4d fig. 7

Fig. 7. Jacht motorowy GeoLog wykorzystywany przez państwową służbę geologiczną do badań w strefie brzegowej Morza Bałtyckiego

Profilowanie sejsmoakustyczne za pomocą profilomierza osadów powinno umożliwiać rozpoznanie budowy geologicznej do głębokości 10–20 m poniżej powierzchni dna. Łączna długość profili sejsmoakustycznych wyniesie około 360 km. Oprócz badań nieinwazyjnych dna morskiego zaplanowane są także prace w zakresie poboru próbek powierzchniowych oraz rdzeni osadów z użyciem sondy wibracyjnej.

Program badań „Kartografia 4D w strefie brzegowej południowego Bałtyku” zakłada prowadzenie wieloetapowych i zróżnicowanych metodycznie badań w strefie brzegowej morza. Efektem mają być modele zmian linii brzegowej południowego Bałtyku wraz z analizą skutków dla obszarów istotnych społecznie i gospodarczo, siedlisk organizmów roślinnych i zwierzęcych oraz głównych zbiorników wód słodkich.

Rezultaty prac będą mogły być wykorzystane do optymalizacji zagospodarowania wybrzeża i sposobów jego ochrony m.in. przez instytucje odpowiedzialne za ochronę brzegu i pasa technicznego (Urząd Morski) oraz realizację miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego (samorządy lokalne), a także przez jednostki zarządzające gospodarką wodną (RZGW), użytkowników wód podziemnych (zakłady komunalne, indywidualni właściciele ujęć) oraz instytucje odpowiedzialne za ochronę przyrody (RDOŚ, Lasy Państwowe, samorządy).

Realizowany projekt wpisuje się w statutowe działania Państwowej Służby Geologicznej dotyczące kartografii geologicznej i geozagrożeń. Jest zgodny z unijną Dyrektywą ramową w sprawie strategii morskiej, założeniami Polityki morskiej Rzeczpospolitej Polskiej do 2020 r. oraz rządowym „Programem ochrony brzegów morskich”.

Zadanie badawcze „Kartografii 4D w strefie brzegowej południowego Bałtyku – etap I” realizowane jest na podstawie umowy Nr 12/2016/Wn-07/FG-GO-DN/D o dofinansowanie w formie dotacji podpisanej dnia 26.01.2016 r. przez Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy i Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.

Tekst: Grzegorz Uścinowicz

Ryciny: Jerzy Frydel, Wojciech Jegliński, Piotr Przezdziecki, Tomasz Szarafin, Grzegorz Uścinowicz 

Zdjęcia: Piotr Przezdziecki, Grzegorz Uścinowicz