GEOZAGROŻENIA WSPÓŁPRACA SŁUŻB GEOLOGICZNYCH W EUROPIE ŚRODKOWEJ

Transkrypt

1 GEOZAGROŻENIA WSPÓŁPRACA SŁUŻB GEOLOGICZNYCH W EUROPIE ŚRODKOWEJ NOWE METODY BADAŃ I MONITOROWANIA OSUWISK NA WYBRANYCH OBSZARACH POLSKI, CZECH I SŁOWCJI Marek Graniczny*, Marek Krąpiec**, Magdalena Czarnogórska*, Tomasz Janicki*, Zbigniew Kowalski*, Paweł Marciniec**, Teresa Mrozek**, Piotr Nescieruk**, Anna Piątkowska*, Wojciech Rączkowski**, Ziemowit Zimnal** Współpraca: Oldřich Kreci***, Ivo Baron***, Robert Jelinek****, Tomas Melich**** * Państwowy Instytut Geologiczny, ul. Rakowiecka 4, Warszawa ** Państwowy Instytut Geologiczny, Oddział Karpacki, ul. Skrzatów 1, Kraków *** Służba Geologiczna Czech **** Służba Geologiczna Słowacji WSTĘP Państwowy Instytut Geologiczny uczestniczy w działalności CEI (Earth Science Committee), od wczesnych lat dziewięćdziesiątych, a prof. Krzysztof Jaworowski jest krajowym przedstawicielem w Sekcji A Geologia. Większość tematów badawczych realizowanych przez PIG w ramach CEI była we współpracy ze służbami geologicznymi Czech i Słowacji. Były to zarówno prace geośrodowiskowe jak i kartograficzne. O aktywności PIG świadczy też fakt, że w 1997 roku był organizatorem dorocznego spotkania krajowych przedstawicieli CEI Section A-Geology w Polsce. Z inicjatywy PIG na spotkaniu szefów rządów krajów członkowskich CEI w Trieście (listopad 2001) do dokumentu CEI Plan of Action zostały wprowadzone tematy: Cooperation in geophysics i Cooperation in geology: GEOHAZARDS in Central Europe. Konsekwencją tego było zgłoszenie i przyjęcie na spotkaniu CEI Section A-Geology w Tiranie w Albanii (13-15 czerwca 2002) tematu Metody badań i monitoringu procesów osuwiskowych na przykładzie Polski, Czech i Słowacji. KRÓTKI ZAKRES ISTNIEJĄCEGO STANU WIEDZY Na obszarze Karpat fliszowych osuwiska stanowią bardzo istotny element rzeźby tych gór. Ich rozwojowi sprzyja zarówno budowa geologiczna podłoża (skały fliszowe niekiedy z dużym udziałem warstw łupkowych i łupkowo-piaskowcowych) jak i dynamika rzeźby związana z występującymi dużymi wysokościami względnymi i nachyleniami stoków. Również wysoka kompetencja erozyjna rzek oraz wysokie okresowe opady deszczu (niekiedy o charakterze opadów katastrofalnych jak np. w roku 1997 i 2001), oraz gospodarcza działalność człowieka, często nieprzemyślana a powodująca dodatkowe zaburzenie równowagi stoków górskich sprzyjają powstawaniu i odnawianiu się osuwisk. Z punktu widzenia gospodarczej działalności ludzi zamieszkujących ten obszar osuwiska stanowią spośród wszystkich procesów geomorfologicznych proces najbardziej negatywny.

2 Katastrofalne opady deszczu, które wystąpiły w latach ubiegłych wykazały dobitnie, że procesy osuwania są z nimi związane odnowiło się i powstało szereg osuwisk głównie na obszarze zachodniej części Karpat a więc na terenie trzech państw Polski, Czech i Słowacji. Porównanie wyników prac oraz wypracowanie nowych metod badawczych pozwoli na dalsze usprawnianie badań geologicznych ograniczających skutki wystąpienia osuwisk, a także upowszechnienie wyników tych prac wśród administracji lokalnej oraz zamieszkującej ten teren ludności, na uświadomienie zagrożeń z jakimi można się spotkać zamieszkując górski obszar Karpat. METODYKA I ZAKRES BADAŃ. W projekcie do tematu zostały założone następujące metody i zakres badań: Integracja wielotematycznych danych na temat osuwisk uzyskiwanych z - terenowych badań geologicznych, - interpretacji obrazów satelitarnych i zdjęć lotniczych, - interpretacji modeli terenu (DEM), - interpretacji danych geofizycznych (m.in. georadarowych) - interpretacji danych geologiczno inżynierskich - danych meteorologicznych Materiały badawcze uzyskane w czasie terenowego kartowania geologicznego i osuwisk w skalach 1 : : mają być podstawą prac do opracowania map zagrożeń w terenach przygranicznych Polski, Czechach i Słowacji. Klasycznie przeprowadzone prace kartograficzne, w skali 1 : , oraz wyniki uzyskane z innych prac i interpretacji dają nowy obraz warunków progowych do występowania ruchów masowych w rejonach przygranicznych. Do badań zostały w fazie projektu wytypowane rejony: polsko słowackiego Spiszu Magury Spiskiej w okolicach Osturni, w przypadku przygranicznych rejonów Polski i Słowacji, region przygraniczny Beskidów Morawsko Śląskich na granicy Polski i Czech w rejonie masywu Małej Czantorii. Ze względu na trudności w uzyskaniu wiarygodnych wyników badań dla tych obszarów z pracami badawczymi (po uzgodnieniach na spotkaniu roboczym w Stryszawie, w roku 2003), przeniesiono się na obszar sąsiadujący trzech krajów obejmujący zachodnią część Beskidów Beskidu Morawsko-Śląskiego i Beskidu Żywieckiego (w podziale L. Starkel, 1972). Do szczegółowych badań zostały wybrane następujące osuwiska występujące w tym obszarze: - osuwisko Lachowice w Polsce; - kompleks osuwiskowy Vaculov Sedlo w Czechach, - osuwisko Harvelka na Słowacji. Powodem takiego doboru obszarów badawczych było istnienie kilku cech wspólnych, które wykazywały wytypowane osuwie, zarówno w sferze geologicznej jak i społecznej. Podobieństwo założeń geologicznych tych obszarów zawiera się w: identycznej przynależności skał podłoża (obejmującej utwory jednostki magurskiej), tektoniczne ograniczenia zasięgów bocznych obszaru osuwisk (strefy uskokowe), konsekwentny układ warstw, południowa elewacja zboczy na których rozwinięte są formy osuwiskowe Zespół podobnych cech w założeniach budowy geologicznej obszarów badawczych pozwolił na przeprowadzenie daleko idących porównań i w miarę obiektywną analizę. Zaznaczyć jednocześnie należy iż na dobór obszarów badawczych miały wpływ sugestie partnerów z Czeskiej i Słowackiej Służby Geologicznej oparte na doświadczeniu wynikającym z wcześniej prowadzonych prac. Porównanie starszych wyników nie zawsze było możliwe ze względu na różnice zarówno w metodyce, zakresie jak i zastosowanym sprzęcie badawczym. Niewątpliwie zaletą tak zlokalizowanych obszarów była dostępność długofalowych danych meteorologicznych (opadów) z bezpośredniego ich sąsiedztwa. Ważnym elementem takiego doboru było również zagrożenie wywołane przez te powierzchniowe ruchy masowe dla infrastruktury i lokalnych społeczności.

3 Stosowane metody badawcze na poszczególnych osuwiska zamieszczono w Tabeli 1. Tabela 1. OSUWISKO LACHOWICE (Polska) HARVELKA (Republika Słowacka) VACULOV SEDLO (Republika Czeska) Kartografia tematyczna Geodezja Tak Tak Tak 1 : : : Geodezja szczegółowa Tak Tak Tak Geologia Tak Tak Tak Geomorfologia Tak Tak Tak Monitoring wgłębny Tak Monitoring powierzchniowy Tak Tak Tak Dendrogeomorfologia Tak Badania geofizyczne Tak Tak Tak Wiercenia badawcze Tak Modelowanie numeryczne Tak Pozostałymi metodami badawczymi stosowanymi w opracowaniu tematu były: - aplikacja i testowanie nowych technik interpretacji obrazów o dużej rozdzielczości (IKONOS) dla obszaru osuwiska Lachowice w Polsce; - przygotowanie standardowej metodyki badań, monitorowania ruchów osuwiskowych oraz oceny zagrożeń; Ponadto opracowana została metodyka przygotowania map ryzyka na podstawie wcześniejszej analizy geozagrożeń i ryzyka ekonomicznego związanego ze zniszczeniami wywoływanymi przez ruchy masowe ziemi. Upowszechnienie wyników badań uzyskanych w czasie realizacji projektu odbyło się m.in. w postaci referatów i plakatów na zorganizowanych w ramach tematu międzynarodowych warsztatach (Stryszawa, 2003) oraz w prezentacji uzyskanych wyników w czasie międzynarodowych konferencji naukowych (Wysowa 2004, Kraków 2005). OSUWISKO W LACHOWICACH Obszar gminy Stryszawa położony jest w Karpatach Zachodnich i należy do fliszowych Karpat zewnętrznych. Prace kartograficzne na tym terenie były prowadzone przez Zbigniewa Paula i Wojciecha Ryłko w latach dla opracowania Szczegółowej mapy geologicznej Polski w skali 1 : arkusz Lachowice (Z. Paul, W. Ryłko, 1996). Wcześniej, w latach i , prace prowadził M. Książkiewicz (M. Książkiewicz, 1958, 1974) dla Szczegółowej mapy geologicznej Polski w skali 1 : , arkusz Sucha Beskidzka (1014). W dniu 21 lipca 2001 roku po katastrofalnych opadach atmosferycznych na obszarze Beskidu Średniego, na terenie osiedla Zawodzie w Lachowicach odnowiona została część stoku osuwiskowego, doprowadziło to do znacznych szkód materialnych. Zniszczonych lub uszkodzonych zostało kilkanaście budynków a także cała infrastruktura techniczna na stoku. Masy czoła osuwiska, przegrodziły potok Lachówkę stwarzając zagrożenie podtopienia wyżej leżących osiedli i zabudowań niżej położonych w dolinie w razie przerwania przegrody. Pracownicy Oddziału Karpackiego Państwowego Instytutu Geologicznego przeprowadzili badania geologiczne terenu osuwiska oraz terenów przyległych (Z. Paul, W. Rączkowski, 2001).

4 Mapa elementów geomorfologicznych na osuwisku w Lachowicach z lokalizacją wykonanych badań oraz punktów monitoringu Wyniki sondowań geofizycznych osuwisko Lachowice

5 Punkty monitoringu GPS na tle zdjęcia satelitarnego Ikonos i mapy warstwicowej (obok numeru punktu podano przesunięcie w metrach w okresie ) Widok na zachodnią część osuwiska w Lachowicach Strefa jęzora osuwiskowego oraz fragmenty zniszczonych zabudowań

6 Widok niszy osuwiska odnowionej po 2002 roku Zniszczony budynek mieszkalny w dolnej części osuwiska (strefa jęzora)

7 OSUWISKO VACULOV SEDLO (CZECHY) Głównym celem interdyscyplinarnych badań było dostarczenie dokładnych danych, informacji, obserwacji o procesie osuwania oraz rekonstrukcja osuwisk w wybranych rejonach Polski, Czech i Słowacji. Ze względu na podobieństwa w budowie geologicznej oraz usytuowanie i dostępność w Republice Czech wytypowano do badań kompleks osuwiskowy Vaculov-Sedlo. Usytuowany on jest na południowych zboczach góry Ptáčnice (830 m n.p.m.) i góry Prostředni (743 m n.p.m.); (18º05 E, 49º 23 N), przy wysokości osuwiska wahającej się od 440 do 750 m n.p.m. Kąt nachylenia powierzchni osuwiskowej (zboczowej) wynosi 10º do 15 º. Obszar kompleksu osuwiskowego zajmuje 2,5 km 2, kubatura wynosi od 50 do 123 mil. m 3. Około 90 % południowo wschodniej części jest zalesione, około 50 % północno zachodniej części jest pokryte łąkami i pastwiskami. Północno zachodnia część obszaru jest zamieszkała i przynajmniej 50 domów jest bezpośrednio zagrożonych osunięciem. Kompleks osuwiskowy rozwinął się w skałach fliszowych formacji beloweskiej i Soláň, należących do jednostki tektonicznej raczańskiej, która wchodzi w skład płaszczowiny magurskiej (Zachodnie Karpaty Zewnętrzne). Przeważają tu iłowce i cienkoławicowe piaskowce fliszowe. We wschodniej części przykryte są one m grubości piaskowcami i zlepieńcami. Układ warstw skalnych jest sub-poziomy przy ogólnym trendzie kierunku upadu na SE i NW. Charakterystyczną dla koluwium cechą jest duże nagromadzenie minerałów ilastych (również z grupy smektytów). Ich pęcznienie powoduje, że koluwium jest niestabilne w całej swej objętości i ulega procesowi ścięcia po nasiąknięciu wodą. Głębsza struktura osuwiska została zbadana przy użyciu sondowań georadarowych w wybranych profilach. Na badanym obszarze osuwiskowym rozpoznano szereg typów ruchów zboczowych (lub osuwiskowych): rotacyjne, przesuwczo-ślizgowe zarówno płytkie jak i głębokie, zsuwy płytkie płaszczyznowe, ślizgowe po powierzchniach warstwowania, ruchy spływowe z pofałdowaniem rozciąganie z (pęcznieniem), obwały, obrywy skalne na skarpach, fałdowanie (z wyciśnięcia) w strefach kompresji. Katastrofalne opady deszczu w roku 1997, które wystąpiły we wschodnich Morawach, miały ogromny, wpływ na ruchy mas osuwiskowych w rejonie Vaculov-Sedlo. Główne wskaźniki aktywności osuwiskowej odnotowanej w tym obszarze to: pochylenie drzew, zniszczenia domów, odkryta, świeża powierzchnia płaszczyzny odkłucia osuwiska. Mapa geomorfologiczna osuwiska Vaculov-Sedlo

8 Uproszczona mapa geologiczna obszaru osuwiska Vaculov Sedno (linia żółta) na modelu 3D BF utwory formacji beloweskiej; SF utwory formacji solan RM ogniwo z Roztoki w formacji solan; Rum ogniwo z Rusavy; UM ogniwo z Ujazdu; Vm ogniwo z Vsetina; linie przerywane uskoki Analiza rozkładów dekoncentrycznych przyrostów Vaculov Sedlo

9 Widok na dolinę Vaculova Jezioro powstałe we wczesnym etapie rozwoju kompleksu osuwiskowego Vaculov- Sedlo Nisze powstałe w odnowionej części osuwiska Sedlo po roku 1997

10 OSUWISKO HARVELKA (REPUBLIKA SŁOWACKA) Obszar objęty osuwiskiem znajduje się w końcowej części doliny potoku Harvelka i obejmuje tereny należące do północnej części gminy Harvelka i południowej części gminy Oravska Lesna. Osuwisko znacznie uszkodziło drogę nr. 520/II z Oravskiej Lesnej do Novej Bystrzycy. Po wybudowaniu zbiornika wodnego Nowa Bystrzyca droga została zamknięta i dlatego jej dalsze deformacje (uszkodzenia), nie stwarzają bezpośredniego zagrożenia dla ludzi. Według słowackiego podziału geomorfologiczngo (Atlas SSR 1980) obszar osuwiska należy do Beskidu Średniego, zajmuje zbocza Góry Kysucka, która graniczy z pasmem Góry Podbeskidzkiej, na styku rejonów Oravy i Kysuc. Wysokość górnej krawędzi niszy osuwiskowej dochodzi do 860 m n.p.m., natomiast wysokość podstawy jęzora osuwiskowego w dolinie potoku Harvelka to 760 m n.p.m. Woda z obszaru osuwiskowego jest odprowadzana potokiem Harvelka, który uchodzi do rzeki Bystrzycy. Mapa geomorfologiczna osuwiska w Harvelce

11 Widok na wschodnią część osuwiska. Po prawej stronie widoczna obudowa poziomego otworu wraz z zastabilizowanym punktem geodezyjnym Utwory koluwialne jęzora osuwiskowego zaciskające koryto potoku Środkowa część osuwiska z nieczynnymi otworami monitoringu hydrogeologicznego (otwory skrzywione i ścięte).

12 Uszkodzenia zamkniętego fragmentu drogi przy wschodniej krawędzi osuwiska. PODSUMOWANIE Działania przeprowadzone w ramach tematu stanowią pierwszą próbę międzynarodowych badań nad osuwiskami w Europie Centralnej. Prace te miały na celu wypracowanie wspólnej metodyki badań nad ruchami masowymi ziemi w celu ograniczenia niekorzystnych skutków ich wystąpienia dla zamieszkującej te tereny ludności. Założeniem tematu było również porównanie dotychczasowych metod badawczych stosowanych przez poszczególne Służby Geologiczne w porównywalnych warunkach geologicznych. Uzyskane w ich czasie wyniki są ciekawe i stanowią podstawy do kontynuacji badań. Badaniami objęto osuwiska występujące w obrębie tej samej jednostki litostratygraficznej Karpat fliszowych jednostki magurskie co dało możliwość wielowątkowych porównań. Regiony występowania poszczególnych osuwisk posiadają dobre rozpoznanie budowy geologicznej podłoża i osadów pokrywowych uzyskane głównie w ramach prac objętych tematem w tym miąższości i rozprzestrzenienia osadów koluwialnych. Jest to region jednolity pod względem rzeźby (w podziale geomorfologicznym - Beskidów Zachodnich) i występowania jednolitego makroregionu klimatycznego z podobnymi warunkami meteorologicznymi. W ramach tematu przeprowadzono kompleksowe badania z zastosowaniem wszystkich dostępnych nowoczesnych metod, na obszarze trzech wytypowanych osuwisk (m.in. GPS, NMT, obrazy satelitarne, dendrogeomorfologia). Zakres prac geofizycznych wykonany w tych obszarach pozwolił na w pełni wiarygodne dokumentowanie przebiegu powierzchni poślizgu osuwisk przy jednoczesnym obrazowaniu rozmieszczenia stref nieciągłości tektonicznych. Dało to podstawy do potwierdzenia hipotezy, iż obecność tych stref była ważnym czynnikiem warunkującym powstanie osuwisk. W wyniku opracowania nakreślono standardową metodykę badawczą obejmującą: rozpoznanie powierzchniowych ruchów masowych, ich monitorowanie oraz ocenę ich zagrożenia. Najbardziej efektywne wyniki można uzyskać stosując: Analizy zdjęć lotniczych lub satelitarnych o wysokiej rozdzielczości, w wariancie ortofoto wspólnie z cyfrowym modelem terenu ( adekwatnym do skali 1: ) Pomiarów GPS, w wariancie kinematycznym dla kartowania obszarów osuwiskowych oraz statycznym dla prowadzenia monitoringu powierzchniowego. Odbiorniki LOCUS firmy ASHTECH o dokładności centymetrowej w pełni potwierdziły swą przydatność na terenie Karpat (poza obszarami całkowicie zalesionymi) Danych geofizycznych (georadarowych GPR i sejsmicznych) dla uzyskania dodatkowych informacji o strukturze wgłębnej i zasięgu osuwiska. Metod dendrogeomorfologicznych dla określenia początku ruchu podłoża w poszczególnych partiach osuwiska w okresie ostatnich dziesięcioleci, co może być istotne dla prognozowania ruchów w przyszłości. W trakcie realizacji tematu nie uwzględniono metod pomiaru ruchu wewnątrz osuwiska w oparciu o pomiary inklinometryczne czy ekstensometryczne z uwagi na duże koszty wykonania otworów wiertniczych. Przedstawiono natomiast badania monitoringu hydrogeologicznego, które dominowały na osuwisku w Harvelce (Słowacja).

13 Przedstawiono schemat opracowania map ryzyka na podstawie wcześniejszej analizy geozagrożeń i ryzyka ekonomicznego. Wszystkie fragmenty analizowanych obszarów osuwiskowych należy zaliczyć do terenów wysokiego ryzyka. Analizę taką należy wykonywać na większym obszarze, najlepiej w skali jednostki administracyjnej - gminy, powiatu lub zlewni. Opracowanie takich map zarówno w Polsce jak i w Czechach i Słowacji napotyka trudności związane z uzyskaniem wiarygodnych danych ekonomicznych i finansowych. Zgodnie z założeniami, w ramach tematu zorganizowano dwie konferencje. Pierwsza z nich, w Stryszawie w 2003 roku, skupiła przedstawicieli służb geologicznych Słowacji, Czech i Polski oraz administracji lokalnej. W drugiej, zorganizowanej w Krakowie obecni byli reprezentanci niemal wszystkich krajów Europy Środkowej jak również czołowych ośrodków zajmujących się badaniami osuwiskowymi we Włoszech, Grecji i Wielkiej Brytanii. Poza konferencjami, upowszechnianie wyników badań nastąpiło w wyniku wymiany materiałów pomiędzy czeską, słowacką i polską służbą geologiczną (PIG). Badania tego typu powinny być kontynuowane w przyszłości w celu wypracowania lepszych wspólnych metod badawczych i monitoringowych, potwierdzenia wyników uzyskanych w normalnych warunkach klimatycznych. Należy pamiętać, iż w okresie badań, w latach , nie wystąpiły na analizowanych obszarach większe (katastrofalne) opady atmosferyczne, które były w przeszłości głównym czynnikiem inicjującym odnawiania i powstawania osuwisk. Kontynuacja prac powinna także służyć wypracowaniu takiej metodyki monitorowania tego typu zjawisk, która pozwoli na uzyskanie w pełni wiarygodnych danych przy jednoczesnym zminimalizowaniu kosztów. Szczególnie istotne jest kontynuowanie monitoringu powierzchniowego (GPS) dla potwierdzenia prawidłowości uzyskanych w czasie trwania tematu danych dotyczących obecnej dynamiki badanych osuwisk. Należy pamiętać iż wszelkie pomiary monitoringowe, zarówno powierzchniowe jak i wgłębne, pozwalają na wiarygodne opracowanie pod warunkiem prowadzenia w miarę regularnych i ciągłych badań. Jednocześnie uzupełnienie tych prac przez badania dendrogeomorfologiczne pozwala na uzyskanie wiadomości co do aktywności osuwisk w przeszłości.