Wykorzystanie skanowania laserowego 3D do wykrywania zmian strukturalnych w jaskiniach solnych i lodowych

Autor: Tommaso Santagata

Naziemny skaning laserowy (TLS) jest wykorzystywany do pomiarów podziemnych od ponad dziesięciu lat i jest coraz częściej wykorzystywany do eksploracji i badań jaskiń. Tommaso Santagata z wirtualnej agencji geograficznej Vigea ostatnio używał rozwiązania do skanowania laserowego Leica Geosystems w dwóch badaniach jaskiniowych: badaniu zmian morfologicznych (formy i struktury) w jaskini solnej Lechuza w Chile oraz w naturalnej jaskini lodowej we Włoszech.

Santagata wyjaśnia, w jaki sposób szczegółowe skanowanie w odstępach czasu może zapewnić wgląd w fizyczne zmiany w środowisku jaskiń: „Chociaż większość procesów zachodzących w jaskiniach przebiega stosunkowo wolno, niektóre mogą być szybkie, na przykład erozja spowodowana powodzią. Te zmiany geologiczne można monitorować za pomocą naziemnego skaningu laserowego i mierzyć poprzez porównywanie modeli 3D „przed i po”. Jest to interesujące narzędzie do prowadzenia porównań w czasie i dlatego jest coraz częściej wykorzystywane w badaniu zmian klimatycznych."

Pomiar zmian spowodowanych powodzią w jaskini Lechuza (Cordillera de La Sal)

W pobliżu chilijskiej wioski San Pedro de Atacama znajduje się ważna jaskinia złożona z oligo-mioceńskich skał mineralnych, znana jako Cordillera de la Sal. Dwa badania przeprowadzone w 2015 i 2018 roku pozwoliły zespołowi Santagaty zweryfikować i zmierzyć niewielkie zmiany topograficzne jaskini spowodowane powodzią w 2017 roku, która spowodowała, że rzeka w jaskini spłynęła i rozpuściła wymierną ilość halitu - powszechnie znanego jako sól kamienna.

W 2015 roku kompleksowe badanie jaskini w 3D zostało zorganizowane przez La Venta Esplorazioni Geografiche i Commissione Grotte Eugenio Boegan of Trieste. Zespół wykorzystał fazowy skaner laserowy Leica HDS7000 do wykonania około 50 skanów. W 2018 roku zespół La Venta we współpracy z Uniwersytetem Bolońskim wykorzystał Leica ScanStation P40 do wykonania 68 skanów, w tym około 200 metrów w zewnętrznym kanionie przed jaskinią w ramach projektu badawczego „Poznanie jaskiń solnych Atakamy” wspieranego przez National Geographic Society.

Dane Lechuza uzyskane w formacie chmury punktów zostały następnie przeanalizowane w celu zidentyfikowania obszarów, w których zaszły zmiany. Santagata wyjaśnia: „Ponieważ znaleziono bardzo ograniczone odchylenia, konieczne było rozpoznanie punktów wspólnych i umieszczenie chmur punktów w tym samym miejscu i orientacji, aby dokonać porównań. W co najmniej trzech obszarach jaskini rozpoznano zawaliska stropu i erozję podłoża. Zdigitalizowano je w celu uzyskania szczegółowych przekrojów tych części jaskini. Porównanie tych dwóch badań wykazało, że w tym przypadku możliwe było dokładne udokumentowanie obszarów, w których wystąpiły oberwania skał lub erozja."

Projekt monitoringu naturalnej studni lodowo-skalnej: pomiar zapadania się lodu

Drugie badanie dotyczy podziemnego złoża lodu w Otchłani Cenote, jednej z najgłębszych i najbardziej obszernych jaskiń we włoskich Dolomitach. Jaskinia lodowa o głębokości 280 metrów została odkryta w 1994 roku po tym, jak wejście do niej powstało w wyniku gwałtownego opróżnienia małego jeziora w Parku Regionalnym Fanes, Sennes i Braies. Pionowe wejście do jaskini składa się z masywnego złoża lodu o grubości 130 metrów; w dolnej, wypełnionej lodem części wejściowej otwiera się szyb - wolny od lodu i głęboki na 165 metrów - prowadzący do komory w kształcie kopuły wypełnionej jaskiniowym lodowcem skalnym.

Badania skanerem laserowym przeprowadzone w 2015, 2016 i 2018 roku pozwoliły zespołowi Santagata na oszacowanie zmian spowodowanych zawaleniami i pozyskanie danych do kompletnego projektu monitoringu. Pierwsza wyprawa w październiku 2015 r. obejmowała pełne badanie skanerem laserowym 3D komory końcowej przy użyciu fazowego skanera laserowego HDS7000. Badania te pozwoliły na dokładne określenie objętości komory (420 000 m³), a także na pierwszy zapis położenia mas lodowych zwisających ze stropu i lodowca skalnego na dnie. Podczas tej wyprawy oraz w kolejnych w 2016 i 2018 roku inne części jaskini zostały zeskanowane w 3D za pomocą ScanStation P40.

Santagata wyjaśnia: „Ze względu na lód wypełniający niektóre korytarze w kolejnych latach nie było możliwości powtórzenia badań ostatniej komory (będzie to cel przyszłych wypraw). Jednak dane zebrane w tych latach w górnej części jaskini pozwoliły nam zbadać zmiany, jakie zaszły w dwóch pierwszych komorach przy wejściu. W szczególności zwrócono uwagę na załamanie w jednym z obszarów, które doprowadziło do powiększenia przejścia powstałego po 2016 roku. Obszar ten został zeskanowany w 3D przed i po zawaleniu się, a uzyskane dane pozwoliły nam zweryfikować oderwanie i określić ilościowo objętość zapadniętych skał."

Chmury punktów zostały porównane przy użyciu dwóch różnych metod: po pierwsze przeprowadziliśmy szybkie porównanie pomiędzy dwoma zbiorami danych, aby zrozumieć, na czym skupić się w bardziej szczegółowej analizie. Po drugie, wyodrębniliśmy kilka „wycinków” obszarów zainteresowania. Wyeksportowaliśmy te obszary w celu pełnej digitalizacji, aby lepiej oszacować objętość zawalonej skały, około 61m³".

Trwające badania: Wykorzystanie modeli 3D do zrozumienia procesów geologicznych

Badania pokazują, że skanowanie laserowe 3D jest przydatną techniką pomiarową do obrazowania zmian w naturalnych strukturach. Uzyskane dane mogą pomóc w interpretacji innych informacji geologicznych, mówi Santagata: „Na przykład różnice wykazane przez porównanie badań jaskini Lechuza dostarczyły interesujących danych, które można łatwo skorelować z opadami deszczu, które wystąpiły na tym obszarze pomiędzy dwiema kampaniami badawczymi.

„W przypadku Cenote Abyss zawalenie nastąpiło prawdopodobnie z powodu wahań temperatury, biorąc pod uwagę, że obszar ten podlega oscylacjom pomiędzy temperaturą powierzchni a temperaturą w jaskini, rejestrowanym przez czujniki temperatury i ciśnienia powietrza, które zostały zainstalowane w jaskini. Trwa szczegółowy monitoring środowiskowy tego obszaru jaskini, a powtarzane modele 3D pozwolą nam zrozumieć, czy procesy te są ważne dla powstania i rozwoju jaskiń lodowych w Alpach."

Przeglądaj projekty w 3D:
Jaskinie solne Atacama
Modele 3D Atacama
Ekspedycja Cenote 2018
Modele 3D Cenote

Kluczowe osoby zaangażowane w badania: Tommaso Santagata (Vigea - Virtual Geographic Agency i La Venta Esplorazioni Geografiche), Umberto Del Vecchio (Vigea - Virtual Geographic Agency i La Venta Esplorazioni Geografiche), Jo De Waele (Uniwersytet Boloński i La Venta), Francesco Sauro (Uniwersytet Boloński i La Venta), Stefano Fabbri (Uniwersytet Boloński/La Venta).

Wyprawy do jaskini Lechuza zostały zorganizowane przez Stowarzyszenie La Venta Esplorazioni Geografiche przy naukowym wsparciu Wydziału BIGEA Uniwersytetu w Bolonii oraz we współpracy z Commissione Grotte E.Boegan w 2015 roku. Wyprawa naukowa w 2018 roku otrzymała dofinansowanie od National Geographic Society i została zrealizowana przy wsparciu CONAF Chile. Monitoring Cenote to multidyscyplinarny projekt realizowany w ramach projektu "Inside the Glaciers" przy współpracy z La Venta, BIGEA i Regionalnego Parku Fanes Sennes i Braies przy współpracy ze Studio GST i Eli Friulia, Speleo Club Proteo of Vicenza, Gruppo Grotte Treviso i Gruppo Speleologico Padovano.