Мониторинг динамики деформаций и влажности грунта на территории Иреляхского дражного полигона по данным Sentinel-1 и Landsat
Н.С. Шеин , С.А. Тихонова, Г.П. Стручкова, Т.А. Капитонова, Л.Е. Тарская
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация
Russian Mining Industry №4S / 2025 p. 104-111
Резюме: Открытая разработка месторождений является одним из наиболее экологически неблагополучных способов освоения недр, связанных с сильной антропогенной нагрузкой на все компоненты природной среды, и имеет тяжелые последствия в виде грубых техногенных изменений ландшафта с возможной активизацией опасных деформационных процессов. Исследование данных процессов для объектов горнодобывающей промышленности, эксплуатирующихся на территории распространения многолетней мерзлоты, в связи с существенным потеплением климата в арктической части России приобретает особую актуальность. В статье представлен анализ динамики смещений и влажности земной поверхности на территории Иреляхского дражного полигона с использованием спутниковых данных Sentinel-1 и Landsat для оценки состояния участков дамб-перемычек. Цель данной работы состоит в развитии метода оценки состояния дамбы дражного полигона, который позволит отслеживать состояние дамбы, а также предупреждать о возможном разрушении с использованием спутниковой информации и ГИС. Этот метод направлен на предоставление дополнительной информации для ранней диагностики предаварийного состояния и предотвращения разрушения плотин и дамб.
Ключевые слова: деформация земной поверхности, InSAR, Sentinel-1, Landsat, геодинамические процессы, индекс влажности, природные риски
Благодарности: Работа выполнена в рамках государственного задания (регистрационный номер 1023030900073-8-2.3.3, научная тема FWRS -2024-0032) и Российского научного фонда, проект: 24-27-20095.
Для цитирования: Шеин Н.С., Тихонова С.А., Стручкова Г.П., Капитонова Т.А., Тарская Л.Е. Мониторинг динамики деформаций и влажности грунта на территории Иреляхского дражного полигона по данным Sentinel-1 и Landsat. Горная промышленность. 2025;(4S):104–111. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-4S-104-111
Информация о статье
Поступила в редакцию: 28.06.2025
Поступила после рецензирования: 18.08.2025
Принята к публикации: 23.08.2025
Информация об авторах
Шеин Николай Сергеевич – ведущий инженер, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0001-7665-6944; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Тихонова Сардана Алексеевна – научный сотрудник, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-5737-2409
Стручкова Галина Прокопьевна – кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-3920-0865
Капитонова Тамара Афанасьевна – кандидат физикоматематических наук, ведущий научный сотрудник, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0001-5502-0998
Тарская Лина Егоровна – ведущий инженер, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация
Введение
В современном мире развитие всех отраслей производства тесно связано с горнодобывающей промышленностью (ГП) и необходимостью добычи минералов, что сопровождается нарушением природной среды. Актуальными остаются разработка технологий добычи и утилизации отходов, а также мониторинг состояния объектов ГП и диагностика предаварийных ситуаций. За последние десятилетия значительный прогресс в области дистанционного зондирования позволил существенно улучшить мониторинг деформаций земной поверхности [1; 2]. Технологии InSAR на спутниках Sentinel-1 позволяют получать высокоточные данные о движении поверхности с разрешением, достаточным для выявления как медленных, так и резких изменений. Эти данные успешно применяются для анализа долговременной динамики, исследования аномалий и оценки влияния различных геологических и климатических факторов на безопасность состояния опасных геологических процессов (ОГП) как в работах российских авторов [3; 4], так и у зарубежных исследователей [5; 6].
Мониторинг влажности почвы важен для оценки состояния сельхозугодий, прогнозирования наводнений, контроля эрозии и анализа деформаций, вызванных природными и антропогенными факторами [7; 8].
Цель данного исследования заключается в комплексном анализе деформаций и влажности участка земной поверхности для оценки состояния ОГП, который позволит отслеживать их текущее состояние, а также предупреждать о возможном разрушении с использованием спутниковых данных Sentinel 1, Landsat и ГИС. В ходе работы предполагается использование современных методов обработки данных InSAR, ГИС моделирования для выявления закономерностей и аномалий в распределении деформаций и влажности. Результаты исследования могут быть использованы для разработки мер по снижению риска природно-техногенных катастроф, совершенствования систем мониторинга.
Добыча алмазов на Иреляхском месторождении Мирнинского ГОКа АК АЛРОСА осуществляется в виде водохранилища, созданного на участке реки Ирелях. Участки реки перекрываются временными дамбами и заливаются водой, что вызывает естественную оттайку мерзлых грунтов. Обогащение алмазоносных отложений производится драгой – плавучей фабрикой; пустая порода сбрасывается обратно, формируя отвалы (рис. 1).
Рис. 1 Изображения дражного полигона Ирелях, драги 201
Fig. 1 Images of the Irelyakh dredging site, Dredge No. 201
19 августа 2018 г. на месторождении «Иреляхская россыпь» произошел прорыв четырех дамб дражных котлованов. По данным лабораторных исследований от 20 августа, в воде с прорыва дамбы зафиксировано превышение ПДК для рыбохозяйственных вод: взвешенных веществ – в 728,6 раза, железа – в 38,7, меди – в 27,6. В устье Ирелях превышения над фоновыми значениями составили: взвешенных веществ – в 689,5 раза, железа – в 5,4, меди – в 2,7, цинка – в 6,1 [9].
Материалы и методы
Для интерферометрической обработки были использованы радиолокационные снимки, полученные спутником Sentinel-1 при VV поляризации за май–август 2017–2018 гг. в режиме интерферометрического широкополосного обзора (IW). Настоящее исследование состояло из нескольких этапов, таких как сбор и предварительная обработка спутниковых данных, а также их анализ. В исследовании использовались три различных типа данных (данные Landsat, Sentinel-1, климатические данные), полученных из разных источников. Климатические данные за период исследования представлены в табл. 1, 2 и на рис. 2, 3.
Таблица 1 Среднемесячное количество осадков за летние месяцы на участке опасных геологических процессов за 2017–2024 гг.
Table 1 The average monthly precipitation during the Summer months in the area of hazardous geological processes for 2017–2024 
Таблица 2 Данные летних среднемесячных температур на участке опасных геологических процессов за 2017–2024 гг.
Table 2 Data on the average monthly Summer temperatures in the area of hazardous geological processes for 2017–2024
Рис. 2 График среднемесячных осадков за летние месяцы на участке опасных геологических процессов
Fig. 2 A plot of the average monthly precipitation during the Summer months in the area of hazardous geological processes
Рис. 3 График летних среднемесячных температур на участке опасных геологических процессов
Fig. 3 A plot of the average monthly Summer temperatures in the area of hazardous geological processes
Для анализа деформаций построены карты смещений на основе снимков Sentinel-1 и ЦМР ASTER GDEM в ПО SNAP. Обработка включала орбитальное выравнивание, генерацию интерферограммы, вычитание топографической фазы, фильтрацию методом Голдштейна и развёртывание фазы в SNAPHU (рис. 4) [10].
Рис. 4 Цепочка последовательности действий интерферометрической обработки
Fig. 4 Sequence of the interferometric processing steps
Для интерферометрического анализа деформаций использованы серии снимков Sentinel-1 за 2017–2019 гг. Даты съёмок подбирались с минимальным временным базисом для повышения когерентности, необходимой для достоверной оценки деформационной активности.
Индекс влажности
Для расчета индексов были использованы космические снимки со спутника Landsat-8/9. Обработка выполнена в ArcMap 10.6.1. Даты снимков для территории Иреляхского дражного полигона были взяты с июня по август 2017– 2019 гг. Модифицированный водный индекс рассчитывается по формуле:
(1)
где GREEN – зелёный спектральный канал; SWIR – средний ИК диапазон. Температура поверхности Для расчёта температуры поверхности использован тепловой канал 10-го спутника Landsat-8. Снимки загружены с https://earthexplorer.usgs.gov и обработаны в ArcMap 10.6.1.
Для вычислений использован калькулятор растров и две формулы с коэффициентами из файла «*_MTL.txt», которые постоянны для всех снимков.
Выбор точек исследования на дамбах полигонов, по которым осуществлялся анализ деформационных и влажностных процессов, представлен на рис. 5.
Рис. 5 Схема расположения точек 1, 2, 3 анализа деформаций и влажности на дамбах дражного полигона на космоснимке
Fig. 5 Layout of points 1, 2, and 3 for analyzing deformations and moisture content on the dikes of the dredge site in a satellite image
Результаты
Для проведения интерферометрического анализа деформаций земной поверхности на выбранном участке были использованы серии радарных изображений спутника Sentinel-1. На рис. 6 показаны визуализации изменений земной поверхности на данной территории за период июль–август 2018 г.
Рис. 6 Визуализация динамики деформаций земной поверхности до аварии на территории дражного полигона Ирелях: а – 14 июля 2018 г., б – 26 июля 2018 г., в – 7 августа 2018 г.)
Fig. 6 Visualization of the dynamics of ground surface deformations prior to the accident at the Irelyakh dredge site: a – July 14, 2018, б – July 26, 2018, в – August 7, 2018)
Поверхность отвала в пределах дамбы со временем деформируется. Выделяют два типа деформаций: безопасные – из-за изменения объёма при росте или удалении отвалов, и опасные – вызванные осадками, повышающими влажность, массу и снижающими прочность грунта. Ежегодно в мире фиксируются аварии примерно 15% плотин, из них 70–75% – на грунтовых, где основная причина – гидрометеорологические явления [11]. Частота разрушений может расти на фоне антропогенного изменения климата.
Нестабильные деформации делают дамбу уязвимой к разрушению, в отличие от стабильных. InSAR фиксирует смещения, однако для оценки опасного состояния важно выявить момент перехода от стабильности к нестабильности, что может сопровождаться ростом деформаций и увлажнённости грунта. Было проанализировано 17 наблюдений; построен график деформаций (май–август 2017– 2019 гг.) на основе усреднённых значений когерентных точек в 5-метровой буферной зоне (рис. 10). Максимальные оседания отмечены в июле 2017 (–0,26 м) и августе 2018 (–0,14 м).
Рис. 7 Временные ряды индекса влажности MNDWI за 2017–2024 гг.
Fig. 7 Time series of the MNDWI moisture index for 2017–2024
Рис. 8 Временные ряды температуры поверхности LST за 2017–2024 гг.
Fig. 8 Time series of the LST surface temperature for 2017–2024
Рис. 9 График временных рядов индекса влажности MNDWI в исследуемых точках дамб дражного полигона Ирелях по данным Landsat за 2017–2019 гг.
Fig. 9 A chart of time series of the MNDWI moisture index at the investigated points of the Irelyakh dredging site dykes based on Landsat data for 2017–2019
Чтобы учесть влияние влажности грунта были проанализированы распределения модифицированного водного индекса, используя данные спутника Landsat в период 2017–2019 гг., (рис. 9). Максимальные летние значения водного индекса 0,26 (2018 г.).
Рис. 10 Кривые временных рядов деформаций в исследуемых точках дамб дражного полигона Ирелях по данным InSAR за 2017–2019 гг.
Fig. 10 Curves of time series of deformations at the investigated points of the Irelyakh dredging site dykes based on InSAR data for 2017–2019
Временные ряды визуализации индекса влажности для изучаемой территории показаны на рис. 7. Наряду с повышенной влажностью причиной деформаций в условиях многолетней мерзлоты являются термопросадки. До 50% аварий на гидроузлах обусловлены неучётом криогенных процессов. Деградацию мерзлоты ускоряют водохранилища, изменения гидрогеологических условий, микроклимата, теплообмена и свойств мёрзлых пород [12].
Чтобы учесть возможные термопросадки, были проанализированы распределения температуры поверхности суши с использованием данных теплового инфракрасного канала спутника Landsat в период до и после прорыва плотины. Временные ряды температуры поверхности (BР) представлены на рис. 8. Максимальные значения на техногенных грунтах достигают +35 °C при среднемесячной температуре воздуха +17°C [13]. Отводы русел формируют техногенные талики. Нарушения рельефа, растительности и структуры пород ухудшают тепломассообмен, повышая тепловую нагрузку на мерзлоту и увеличивая её температуру на 3–5°C, особенно на открытых участках.
Причины высоких температур грунтов объясняются в работе [14]. Дражные разработки изменяют геохимию пород: в отвалах фиксируются токсичные элементы, включая стронций (отсутствующий в природных почвах), а также превышения ПДК свинца и цинка в 3 раза, никеля и титана – в 1,5 раза. Разработка россыпей сопровождается изменением рельефа и геокриологических условий долин.
График значений индекса MNDWI представлен на рис. 9. Кривые временных рядов построены по усреднённым значениям в 5-метровой буферной зоне вокруг исследуемых точек (16.06.2017–09.08.2019). Наибольшие значения MNDWI зафиксированы в августе 2018 г., что указывает на переувлажнение грунта. В этот же период наблюдаются пиковые оседания поверхности, что свидетельствует о возВ то же время анализ графика деформаций показывает, что оседания фиксировались не только в августе 2018 г., но и в другие периоды. Однако в указанные периоды значения индекса влажности оставались на низком уровне.
Это может свидетельствовать о том, что сами по себе деформации не всегда ведут к аварийным последствиям, если они не сопровождаются насыщением грунта влагой. Отсутствие признаков переувлажнения в указанные периоды, несмотря на наличие деформаций, может объяснять, почему разрушительные процессы, аналогичные событиям августа 2018 г., не повторялись.
Выводы
Проведено исследование интегрированного подхода к дистанционному мониторингу состояния природно-технических систем на основе совместного анализа деформаций земной поверхности и индексов влажности грунта. Использование данных спутников Sentinel-1 в режиме интерферометрической обработки (InSAR) позволило выявить зоны вертикальных смещений на территории дамб Иреляхского дражного полигона, которые могут быть потенциально связаны с нарушением устойчивости гидротехнических сооружений. Дополнительно применение мультиспектральных данных Landsat-8/9 и расчёт модифицированного водного индекса (MNDWI) позволили проследить пространственно-временную динамику изменения влажности на исследуемом участке.
Представленный подход к оценке деформационных процессов и динамики увлажнения на территории Иреляхского дражного полигона с использованием спутниковых данных Sentinel-1 и Landsat может рассматриваться как важный элемент в системе комплексного геотехнического мониторинга. Данный подход представляет собой лишь начальную стадию интеграции методов дистанционного зондирования в практику оценки природно-технической устойчивости, поскольку взаимодействие компонентов геологической среды и технических сооружений в условиях многолетней мерзлоты является сложным, нелинейным и динамически изменяющимся процессом. Обеспечение устойчивого функционирования таких объектов требует регулярного мониторинга, адаптивного управления техногенной нагрузкой и своевременной реализации инженерных мероприятий, направленных на предупреждение или смягчение возможных последствий развивающихся деформационных процессов.
Список литературы
1. Ширшова В.Ю. Опыт мониторинга оседаний земной поверхности в урбанизированных районах методом радиолокационной спутниковой интерферометрии на примере города Санкт-Петербург. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2020;64(4):399–408.Shirshova V.Yu. The experience of monitoring the land subsidence in urban areas by radar satellite interferometry on the example of St. Petersburg. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Geodeziya i Aerofotos’emka. 2020;64(4):399–408. (In Russ.)
2. Муродов С.Д., Чермошенцев А.Ю. Методика мониторинга смещений зданий и сооружений по данным космической радиолокационной съемки. Интерэкспо ГЕО-Сибирь. 2020;6(2):36–40. https://doi.org/10.33764/2618-981X-2020-6-2-36-40Murodov S.D., Chermoshentsev A.Yu. Methodology for monitoring displacements of buildings and structures using space radar survey. Inretexpo GEO-Siberia. 2020;6(2):36–40. (In Russ.) https://doi.org/10.33764/2618-981X-2020-6-2-36-40
3. Шерхов А.Х., Гергокова З.Ж. Оценка актуального состояния некоторых компонентов комплекса гидротехнических сооружений хвостохранилища Тырныаузского горно-обогатительного комбината. Природообустройство. 2022;(4):100–106. https://doi.org/10.26897/1997-6011-2022-4-100-106Sherhov А.Kh., Gerkova Z.Zh. Assessment of the current state of some components of the complex of hydraulic structures of the tailings pond of the Tyrnyauz mining and processing plant. Prirodoobustrojstvo. 2022;(4):100–106. (In Russ.) https://doi.org/10.26897/1997-6011-2022-4-100-106
4. Легостаева Я.Б., Гололобова А.Г., Попов В.Ф., Макаров В.С. Геохимические свойства и трансформация микроэлементного состава почв при разработке коренных месторождений алмазов в Якутии. Записки Горного института. 2023;260:212–225. https://doi.org/10.31897/PMI.2023.35Legostaeva Y.B., Gololobova A.G., Popov V.F., Makarov V.S. Geochemical properties and transformation of the microelement composition of soils during the development of primary diamond deposits in Yakutia. Journal of Mining Institute. 2023;260:212–225. https://doi.org/10.31897/PMI.2023.35
5. Strozzi T., Antonova S., Günther F., Mätzler E., Vieira G., Wegmüller U. et al. Sentinel-1 SAR interferometry for surface deformation monitoring in low-land permafrost areas. Remote Sensing. 2018;10(9):1360. https://doi.org/10.3390/rs10091360
6. Lumbroso D., McElroy C., Goff C., Collell M.R., Petkovsek G., Wetton M. The potential to reduce the risks posed by tailings dams using satellite-based information. International Journal of Disaster Risk Reduction. 2019;38:101209. https://doi.org/10.1016/j.ijdrr.2019.101209
7. Родионова Н.В. Оценка влажности почвы по радарным данным на основе множественной регрессии. Исследование Земли из Космоса. 2023;(5):13–22. https://doi.org/10.31857/S0205961423050068Rodionova N.V. Soil moisture estimation by radar data based on multiple regression. Issledovanie Zemli iz Kosmosa. 2023;(5):13–22. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0205961423050068
8. Корниенко С.Г. Информативность космических снимков сверхвысокого разрешения в задачах мониторинга влажности тундрового покрова. Актуальные проблемы нефти и газа. 2020;(2):82–95. https://doi.org/10.29222/ipng.2078-5712.2020-29.art7Kornienko S.G. Informative value of ultra-high resolution satellite images for monitoring the moisture content of the tundra cover. Actual Problems of Oil
9. Иванова Т.С., Сивцева Д.К. Об экологической ответственности недропользователей на примере АК «Алроса» (ПАО). Арктика XXI век. Гуманитарные науки. 2021;(4):25–33.Ivanova T.S., Sivtseva D.K. Environmental responsibility of subsoil users on the example of Alrosa. Arktika XXI vek. Gumanitarnye Nauki. 2021;(4):25–33. (In Russ.)
10. Braun A., Veci L. Sentinel-1 Toolbox. TOPS Interferometry Tutorial. SkyWatch Space Applications Inc.; 2021. Available at: https://step.esa.int/docs/tutorials/S1TBX%20TOPSAR%20Interferometry%20with%20Sentinel-1%20Tutorial_v2.pdf (accessed: 29.05.2025).
11. Салямова К.Д., Ахмедов М.А. Статистический анализ повреждений и разрушений грунтовых плотин. В кн.: Старостина И.В. (ред.) Инновационные пути решения актуальных проблем природопользования и защиты окружающей среды: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф., г. Алушта, 4–8 июня 2018 г. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; 2018. Ч. 1. С. 106–113.
12. Малик Л.К. Чрезвычайные ситуации, связанные с гидротехническим строительством (ретроспективный обзор). Гидротехническое строительство. 2009;(12):2–16.Malik L.K. Emergencies related to hydraulic engineering (a retrospective review). Gidrotekhnicheskoe Stroitel'stvo. 2009;(12):2–16. (In Russ.)
13. Иванов В.В. Трансформация природных комплексов при недропользовании в условиях криолитозоны (на примере Якутии) [Дис. … д-ра геогр. наук]. Томск; 2014. 333 с.
14. Замощ М.Н. Оценка нарушений речных долин и обоснование направлений рекультивации при разработке россыпей бассейна Верхней Колымы. В кн.: Евсиович А.С. (ред.) Проблемы техногенеза и рекультивации при разработке многолетнемерзлых россыпей. Магадан: ВНИИ-1; 1987. С. 16–24.
