Analiza digitalnega modela reliefa in nova interpretacija poteka Južnoalpske narivne meje

Digital terrain model analysis and defining the South Alpine thrust fault in the Central Slovenia

APLIKACIJA: geologija

SODELUJOČA SREDNJA ŠOLA:  Gimnazija Kranj

RAZISKOVALNA SKUPINA: Sara Ručigaj, Jan Drenovec, Simon Udir, Rok Oblak, Vid Žepič

MENTOR: dr. Jure Žalohar, prof. fizike, Nataša Đurić, Center odličnosti Vesolje-SI

Plakat, ki je bil predstavljen na konferenci Small Satellites Systems and Services – The 4S Symposium v Portorožu od 4. do 8. junija 2012.

Predstavljena raziskovalna naloga je del širšega raziskovalnega projekta v sodelovanju med Gimnazijo Kranj in Centrom odličnosti Vesolje-SI. V letu 2011 smo od centra odličnosti Vesolje.si dobili zanimivo ponudbo, da bi s pomočjo sodobne GIS računalniške tehnologije izvedli raziskovalno nalogo s področja geologije. Izbrali smo problematično območje med Kropo in Kranjem, katerega geološka zgradba je nejasna in v dosedanji geološki literaturi nepravilno interpretirana. Območje je izjemno pomembno za pravilno interpretacijo poteka Južnoalpske narivne meje, ob kateri so Južne Alpe narinjene na Zunanje Dinaride. Imeli smo dostop do visokoresolucijskega digitalnega modela reliefa (1 piksel = 5 m), ki smo ga obdelali s pomočjo računalniškega programa ArcGIS.

Slika 1: Pregledna karta obravnavanega območja v merilu 1:250000 (Vir: Geopedia, 2012).

V raziskovalni nalogi so predstavljeni postopki vizualizacije digitalnega modela reliefa ter interpolacije skalarnih vrednosti tenzorja deformacij zemeljske skorje na območju med Kropo in Kamnikom. Vizualizacija trirazsežnih podatkov omogoča karakterizacijo značilnih  strukturnih oblik regionalnih in lokalnih razsežnosti, predvsem pa tudi oris tektonskih aktivnosti na, s sedimenti zakritih, nižinskih območjih. Izhodne podatke analize digitalnega modela reliefa smo nadgradili s kartami rekonstrukcije nekdanjih oz. t.i. paleonapetostnih polj, ki opišejo deformacije ozemlja. Karte smo pridobili z zvezno predstavitvijo relativnih vrednosti vertikalnih deformacij. Vrednosti temeljijo na kvantitativni napetostni in deformacijski analizi, kjer vhodni podatek predstavljajo meritve orientacije zdrsov ob prelomnih ploskvah. V nalogi smo tako z integracijo različnih vhodnih podatkov pripravili ustrezna izhodišča za nadaljnjo geološko interpretacijo in kartiranje glavnih smeri prelomov ter napetosti in razmejitev geotektonskih struktur.

Metode dela

Kot temeljno izhodišče naše raziskave so bile že obstoječe geološke karte. Območje v okolici Kranja pokriva Osnovna geološka karta SFRJ v merilu 1:100000, list Kranj, območje v okolici Kamnika pa pokriva list Ljubljana. V pomoč je tudi Buserjeva Geološka karta Slovenije v merilu 1:250000, na kateri so posamezne strukture iz OGK SFRJ na novo interpretirane. Kljub vsemu naštete karte ne vključujejo mnogih novejših spoznanj o regionalni stratigrafiji ter strukturi in tektonskem razvoju, zato že približno od leta 2000 poteka predvsem na ozemlju med Kropo in Kranjem detaljno geološko kartiranje (npr. Celarc, Žalohar in drugi). V veliko pomoč so nam bile neobjavljene geološke karte Vrabca. Prav tako smo zaradi težav z interpretacijo obstoječih kart tudi sami izvedli več terenskih obhodov, na katerih smo preverili pravilnost kart in nabrali potrebne informacije o zgradbi ozemlja.

Slika 2: Terensko delo (Vir: Rok Oblak in Vid Žepič, 2012)

Strukturno kartiranje in interpretacijo geoloških kart smo kombinirali z mikrotektonskimi meritvami, katerih glavni cilj je rekonstrukcija (paleo)napetostnih in (paleo)deformacijskih stanj, v katerih so se dogajale deformacije ozemlja. Neposredna mikrotektonska opazovanja na posameznih lokacijah hkrati omogočajo natančnejšo karakterizacijo premikov ob večjih regionalnih prelomih in prelomnih sistemih. Vhodni podatek za kvantitativne napetostne in deformacijske analize so meritve zdrsov ob prelomnih ploskvah. Te obsegajo:

  1. Meritev smeri vpada prelomne ploskve (azimut),
  2. Meritev nagiba prelomne ploskve,
  3. Meritev vpada drs na prelomni ploskvi,
  4. Določitev smeri premika oziroma tipa preloma (normalni, reverzni, levo- ali desno-zmični, poševni),
  5. Zanesljivost določitve tipa preloma (C – zanesljivo, P – verjetno, S – hipotetično, * – smer premika ni znana),
  6. Utežni faktor (pomembnost posamezne meritve).

Slika 3: Prikaz meritev zdrsov ob prelomnih ploskvah in izračunanih paleonapetostnih tenzorjev. Ekviploščinska krogelna projekcija, spodnja polobla. Prelomne ploskve so prikazane s trasami, drsne lineacije pa s poli. Puščica ob polu označuje relativno smer premika krovninskega bloka. Glavne napetostne osi so prikazane kot poli, ki jih označuje zvezda (glej legendo na sliki).

Podatke o paleonapetostnih in paleodeformacijskih poljih smo rekonstruirali iz baze podatkov, ki sta jo tekom skoraj 20 let trajajočih raziskav pridobila dr. Jure Žalohar in dr. Marko Vrabec. Ta baza vsebuje podatke zbrane na 62 lokacijah med Kranjem in Kropo ter v okolici Kamnika. Na vsaki lokaciji smo izračunali relativno vertikalno deformacijo ter azimut maksimalne horizontalne kompresije. Nato smo podatke vnesli v program ARCGIS, verzijo 10, ki je zmožen interpolirati vrednosti vnesenih parametrov tudi na območja, kjer meritve niso bile možne. Pri interpolaciji so uporabili različne numerične metode:

  1. Kriging,
  2. Metoda zlepkov,
  3. Metoda prileganja ploskve z inverzno razdaljo.

Program ARCGIS smo uporabili zgolj za interpolacijo skalarnega polja relativne vertikalne deformacije. Vektorskega polja azimutov maksimalne horizontane napetosti v tej fazi raziskav še nismo interpolirali. Izdelali smo več paleonapetostnih kart, in sicer posebej za območje med Kropo in Kranjem, ter posebej za območje v okolici Kamnika. V vmesnem področju med Kranjem in Tunjiškim gričevjem namreč ni bila možna nobena meritev, zato je bilo smiselno interpolacijo razdeliti na dve območji, kjer je gostota meritev zadosti visoka.

Slika 4: Geografski položaj lokacij na zahodu (levo) in vzhodu (desno), kjer so bile opravljene mikrotektonske meritve.

Slika 5: Primer paleonapetostne karte interpolirane z metodo »Spline« za ozemlje med Kropo in Kranjem. Rdeča barva označuje pozitivno relativno vertikalno deformacijo (prevladujejo reverzni prelomi, kompresijski napetostni režim), medtem ko modra barva označuje negativno relativno vertikalno deformacijo (prevladujejo normalni prelomi, ekstenzijski napetostni režim). Puščice kažejo smer maksimalne horizontalne kompresije.

Ker so tektonske deformacije raziskovanega območja zelo mlade oziroma še aktivne, je morfologija terena v veliki meri vezana na strukturo, kar je jasno razvidno že iz topografske karte. Zato so pri svojem delu kot dopolnilo interpretaciji geoloških kart in terenskega kartiranja uporabljali tudi kvalitativno do semikvantitativno analizo digitanega modela reliefa (DMR). Z obdelavo DMR smo želel doseči predvsem naslednje:

  1. izločiti, ojačati in povezati morfološke elemente, ki so vezani na prelome (npr. linearne doline, stopnje in prevoje v reliefu),
  2. omejiti kraške planote ter analizirati njihovo razporeditev in orientacijo ob domnevi, da predstavljajo ostanke nekoč enotne paleopovršine,
  3. poiskati znake aktivne tektonike, zlasti v nižinskih predelih, ki so prekriti s kvartarnimi sedimenti.

Vse obdelave smo izvajali s programom ARCGIS, verzijo 10. Pri analizi smo uporabljali DMR Slovenije s horizontalno ločljivostjo 5 m, ki ga je izdelala Geodetska uprava Republike Slovenije. Natančnost tega DMR je dovolj velika celo za lokalne analize, vendar ima v obravnavanem območju nekaj očitnih napak, predvsem premaknjenih ali podvojenih kvadrantov. Najbolj problematični so artefakti v nižinskih predelih, kjer so razlike v nadmorski višini majhne, zato je računalniška obdelava občutljiva na šum in napake v podatkih. Ti artefakti zaradi majhnih višinskih razlik močno omejujejo možnosti za analizo deformacij v kvartarnih sedimentih.

Pri analizi in vizualizaciji DMR smo uporabljali predvsem naslednje postopke:

  1. senčenje reliefa glede na izbran azimut in višino umetne sončne osvetlitve, kar poudarja tridimenzionalno oblikovanost reliefa, ter barvanje reliefa glede na višino,
  2. prilagajanje kontrastnega razpona: z apliciranjem celotne razpoložljive barvne lestvice na ozek interval višin se razkrijejo drobne morfološke značilnosti,
  3. barvanje z visokofrekvenčno barvno lestvico, ki razkrije zlasti morfologijo ravninskih predelov,
  4. izračun naklonov pobočij.

Karta naklonov pobočij v DMR dobro poudari linearne pregibe pobočij in dolin, ki so pogosto povezani s prelomnimi conami. S karto naklonov je mogoče tudi odkrivati in omejevati morfološke izravnave, zlasti manjše izolirane fragmente.

Slika 6: Primeri obdelave DMR: levo – omejitev kontrastnega razpona na odsek med 300 in 500 m nadmorske višine; desno- relief, obarvan z visokofrekvenčno barvno lestvico.

Slika 7: DMR Ljubljanske kotline med Kranjem in Cerkljami. Posebej je obarvano ozemlje z nadmorskimi višinami med XY m in XY m. Severno od Južnoalpske narivne meje (narivnica Krnskega nariva) je smer akumulacije NW-SE, na jugu pa hkrati Južnoalspka narivna meja opredstavlja severozahodni rob osežnega vršaja reke Kokre.

Slika 8: Nastanek normalnega preloma Krope in posledično Gorenjskega bazena.

Slika 9: Nastanek Preddvorskega in Cerkljanskega preloma.

Glede na našo interpretacijo predstavlja Južnoalpsko narivno mejo narivnica Krnskega nariva, ki mu na obravnavanem ozemlju pripadajo masivi Jelovice, Jamnika, Rovnika, Štefanje gore, Šenturške gore vse do Menine planine na vzhodu. Problematičen je predvsem njen potek med Kranjem in Kamnikom, kjer je prekita s kvartarnimi konglomeratnimi zasipi. Glede na našo interpretacijo narivnica Krnskega nariva kot Južnoalpska narivna meja predstavlja pomembno in izrazito geotektonsko mejo, ki med seboj loči kamnine Julijske karbonatne platforme od kamnin Slovenskega bazena. Prav tako narivnica predstavlja mejo med dvema terciarnima tektonostratigrafskima enotama, in sicer med Slovensko-madžarskim paleogenskim bazenom na severu in Panonskim bazenom na jugu.

Slika 10: Prikaz točke stika dveh tipov kamnin na Južnoalpski narivni meji, ki ločujeta tudi dve geotektonski enoti – Južne Alpe in Dinaride (foto: Rok Oblak, 2012).

Najpomembnejše rezultate raziskovalne naloge si lahko pogledate tukaj in tukaj.