Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Природные и урбанизированные системы. экологические проблемы функционирования систем. геологические критерии оценки сейсмичности и других опасных процессов 9
1.1. Природная система. Исследование природной системы 9
1.1.1. Математическое моделирование природной системы 10
1.1.2. Информационные технологии в задачах изучения природных систем 12
1.2. Урбанизированная система. Исследование урбанизированной системы 14
1.2.1. Математическое моделирование урбанизированной системы 15
1.2.2. Информационные технологии в задачах изучения урбанизированных систем 16
1.3. Геологические критерии оценки сейсмичности и других опасных явлений 16
1.3.1. Геологический прогноз сейсмических событий 17
1.3.2. Взаимосвязь проявления землетрясений с геологическими особенностями территории 19
1.4. Тектоника в основных видах инженерных изысканий 26
1.4.1. Инженерно-геологическое районирование 26
1.4.2. Уточнение исходной сейсмичности 29
1.4.3. Сейсмическое микрорайонирование 38
1.5. Выводы 39
ГЛАВА 2. Диагностика опасных природных событий. интерпретация сейсмических наблюдений за природными процессами 42
2.1. Методы диагностики опасных природных событий по данным инструментальных наблюдений 42
2.2. Сейсмологическая сеть наблюдений. Региональная и локальная сети наблюдений на Северном Кавказе 42
2.3 Основа интерпретации экспериментальных сейсмических данных 46
2.4. Оценка сейсмической опасности 47
2.5. Обработка инструментальных данных 49
2.5.1. Спектральный анализ 49
2.5.2 Спектрально-временной анализ нестационарных диагностических сигналов. Вейвлет анализ 50
2.6. Локальная сеть сейсмических наблюдений на территории РСО-А 51
2.6.1. Особенности локальной сети ГФЦДЭ 51
2.6.2. Компьютерные программы обработки данных сейсмических наблюдений 55
2.6.3. Обработка данных сейсмических наблюдений. Базы данных сильных движений '55
2.7. Методика работ по созданию исходных данных 55
2.7.1. Основные условия и требования к разработке исходных данных 55
2.7.2. Анализ существующей базы данных сильных движений. Методика выполнения работы 56
2.7.3. Повышение эффективности использования данных локальной сети наблюдений РСО-А 58
2.7.4. Разработка базы данных инструментальных записей землетрясений 59
2.7.5. Разработка конвертера для перевода файлов формата *.adb в текстовый формат... 60
2.7.6. Подборка инструментальных записей 61
2.7.7. Структура и интерфейс базы данных 62
2.7.8. Возможности программного продукта 64
2.8. Выводы 67
ГЛАВА 3. Оценка сейсмической опасности предгорных и высокогорных территорий 68
3.1. Современная геодинамика Кавказа 69
3.2. Методология современной оценки сейсмической опасности 73
3.2.1. Идентификация зон возникновения очагов землетрясений (ВОЗ) 76
3.2.2. Определение параметров соотношения повторяемости 81
3.2.3. Оценка сейсмического эффекта землетрясения : 83
3.2.4. Определение сейсмической опасности 90
3.3. Выводы 92
ГЛАВА 4. Сход ледника колка 20 сентября 2002 года 94
4.1. Связь сейсмических событий со сходом ледника Колка 94
4.1.1. Событие, предваряющее сход ледника 99
4.1.2. О взаимосвязи различных факторов со сходом ледника Колка 100
4.2. Анализ инструментальных записей схода ледника Колка 102
4.2.1. Предварительная реконструкция события схода ледника ПО
4.2.2. Вейвлет анализ записей схода ледника Колка 20.09.02 года 112
4.3. Механизмы очагов землетрясений 123
4.4. Анализ процесса схода ледника Колка по данным станций сейсмических сетей России и Грузии 131
4.4.1. Анализ инструментальных записей станций России 132
4.4.2. Анализ записей станций сейсмической сети Грузии 133
4.4.3. О природе вертикального импульса на записях предшествующих сходу ледника Колка 141
4.5. Выводы 142
Заключение 144
Литература 146
- Информационные технологии в задачах изучения природных систем
- Сейсмологическая сеть наблюдений. Региональная и локальная сети наблюдений на Северном Кавказе
- Идентификация зон возникновения очагов землетрясений (ВОЗ)
- Связь сейсмических событий со сходом ледника Колка
Введение к работе
Актуальность работы. В последние десятилетия естественные науки интенсивно
развивают представления глобального эволюционизма. Вселенная в современном естествознании рисуется динамичной, эволюционирующей через кризисные состояния -катастрофы, сменяющиеся периодами развития. Классическое представление о природе увязывалось со стабильной и детерминированной системой, а кризисные состояния рассматривались как нарушения в закономерном развитии материи. Современное представление о природной системе рассматривает кризисные состояния как необходимую составляющую вечного развития мира.
Естествознание XVIII-XIX вв. развивалось в соответствии с двумя основными принципами: однозначность причинно-следственных связей и основанность на эксперименте. Развитие наук об экологии показало, что для всех сложных природных систем характерны свойства, описываемые с помощью нелинейных моделей, для которых характерны колебательные и мультистационарные режимы [Николайкин и др., 2004]. Все эти понятия типичны для геоэкологии, изучающей геосферы, их динамику и взаимодействие, геологические и геофизические условия жизни, факторов (ресурсов и условий) неживой природы влияющей на организмы.
Несмотря на стремительное развитие современных технологий, исследование, прогноз и предупреждение природных и техногенных опасностей и их негативных последствий, как правило, остается в большей мере на качественном уровне. Это значительно снижает возможности адекватного и достоверного прогноза особенностей проявления указанных опасных явлений и снижает возможности действенной реализации соответствующих мероприятий с целью смягчения последствий опасных природно-техногенных явлений на урбанизированных территориях.
Общая площадь урбанизированной территории Земли составила в 1980 году 4,69 млн
"У "У
км . Ожидается, что в 2070 г. достигнет 19 млн км . Предполагают, что практически все население мира в 2030 г. будет жить в поселениях городского типа [Экология, 2004].
Урбанизация территории или процесс развития городских поселений представляет собой объективный процесс, который обусловлен потребностями современной жизни. В настоящее время типичный город любого уровня (центральный, региональный, рядовой) трансформируется в городскую агломерацию - пространственно и функционально единую группировку поселений городского типа, составляющую общую социально-экономическую и экологическую систему.
Развитие урбанизированных территорий, с одной стороны, характеризуется высокой целесообразностью, позволяя централизовать и тем самым облегчить их управление. С
5 другой стороны, высокая плотность населения и инфраструктуры может, особенно в условиях высокой сейсмической активности, приводить на урбанизированных территориях, которые находятся в тесном взаимодействии с окружающей средой, к крупным катастрофам. Так, при Тангшаньском землетрясении (Китай, 1976) погибло почти 600000 человек, при Нефтегорском (Сахалин, 1995) - погибло 2/3 населения города Нефтегорска. Заметными социально-экономическими потерями сопровождались землетрясения Нотридж и Кобе (США, 1994; Япония, 1995), а также Чи-Чи и Измитское (Тайвань, 1999; Турция, 1999).
Тяжелые последствия землетрясений в современных городских агломерациях обусловили объявление Организацией Объединенных Наций последнего десятилетия двадцатого столетия «десятилетием смягчения опасностей природных и техногенных катастроф на урбанизированных территориях». Это позволило значительно развить работы в области разработки и освоения известных современных методов снижения сейсмического риска территорий. Тем не менее, необходимо отметить, что в странах СНГ число таких работ неадекватно мало по сравнению с их научной и практической необходимостью. Это обусловило формирование Федеральной целевой программы «Сейсмическая безопасность России на период 2002-20 Юг.г.».
События последних лет в Республике Северная Осетия-Алания показали, что без проведения научно обоснованных постоянных или долговременных наблюдений, достаточно значительное опасное природное явление может приводить к тяжелым последствиям. Актуальность проблемы становится еще более значимой в условиях горных районов, где любое опасное природное явление может сопровождаться не менее опасными вторичными процессами.
Цель исследования - разработка и практическое применение методов изучения и интерпретации результатов инструментальной регистрации проявления опасных природных процессов в урбанизированных системах в их взаимодействии с окружающей средой в условиях высокой сейсмической активности.
Исходя из основной цели диссертационной работы, были сформулированы следующие задачи исследования:
-разработать методику интерпретации инструментальных данных опасных природных процессов на примере процесса схода ледника Колка;
- на основе анализа сейсмической активности региона оценить сейсмическую опасность предгорных и высокогорных территорий с помощью современных технологий;
-с учетом особенностей проявления опасных природных явлений реализовать адаптацию современных компьютерных программ обработки данных, полученных в
результате инструментальных наблюдений;
-выявить характерные особенности взаимодействия природных и урбанизированных систем с окружающей средой в условиях высокой сейсмической активности.
Методы исследований и фактический материал. Поставленные задачи решались на основе создания базы данных сильных движений, полученных локальной сетью сейсмических наблюдений цифровыми станциями Альфа Геон на территории РСО-А за период 1998-2004г.г., и их последующей обработки с помощью современных стандартных компьютерных программ WSG (система обработки сейсмических данных) Геофизической службы РАН, а также пакета компьютерных программ (Hypoellipse и др.) Центра ГЕОН. Кроме того, для визуализации и исследования территории применялись программы CAD Map и ARCview.
В процессе исследования с помощью указанных программ были обработаны уникальные инструментальные записи схода ледника Колка. При этом были использованы известные способы повышения качества исходных данных (сглаживание и т.д.), а также спектральный анализ, вейвлет-анализ и т.д. Результаты анализа сопоставлялись с записями схода ледника Колка, зарегистрированными станциями сейсмической сети России и Грузии (Цей, Они, Амбролаури, Ахалкалаки, Ахалцихе, Абастумани, Тбилиси).
На основе адаптации американской программы SEISRisk-З были рассчитаны основные параметры активных сейсмических источников и определено их вероятностное проявление.
Механизмы очагов землетрясений изучались с помощью американского пакета программ DES_FOCA и DESFPLOT и др.
Основные положения, защищаемые в работе:
1. Впервые разработан набор вероятностных карт сейсмической опасности
предгорной и высокогорной территории, которые построены на основе геологических,
геофизических, сейсмических параметров и являются основой для решения вопросов
зональности сейсмоактивности региона.
Предложена оригинальная схема зональности сейсмоактивности Центрального Кавказа. Установлено, что южная часть г.Владикавказа и район ледника Колка расположены в зоне восьмибалльной сейсмической опасности, что предполагает значительное влияние геодинамических процессов на сейсмическую активность урбанизированных и неосвоенных территорий.
Установлены три основных этапа процесса схода ледника Колка: I этап характеризует начало процесса схода ледника, II этап - удар о горные породы в районе ледника Майли, III этап - удар о Кармадонские «ворота». Выделенные этапы четко
7 зафиксированы локальной сетью сейсмических станций, расположенных на территории РСО-А. Разработан сценарий схода ледника Колка 20.09.02 г. совпадающий с данными, полученными с сопредельной территории. Научная новизна:
впервые создан набор карт сейсмической опасности территории г.Владикавказа и района расположения ледника Колка в величинах макросейсмической интенсивности и пикового грунтового ускорения для повторяемости 50 лет и вероятностью превышения 1%, 2%, 5 %, 10%;
впервые установлено, что южная часть г. Владикавказа находится в зоне с интенсивностью 8 баллов, а северная - 7 баллов;
впервые для территории РСО-А по независимым расчетам установлено, что восьмибалльная зона соответствует макросейсмическому ускорению 03-H)4g, семибалльная - 02-H)3g.
на сейсмограммах непосредственно перед сходом ледника выделен длиннопериодный, преобладающий в вертикальном направлении, импульс с периодом колебаний Т==4с характеризующий событие, обусловившее сход ледника Колка;
впервые на основе изучения и обработки уникальных инструментальных записей, полученных с помощью различных станций, разработан сценарий процесса схода ледника Колка, который увязан с рельефом местности и другими параметрами.
Практическое значение исследования.
На основе результатов исследования могут быть разработаны эталонные сценарии опасных проявлений природных процессов при совокупном воздействии внешних и внутренних факторов. На основе полученных данных может быть реализован геоэкологический прогноз эволюции/деградации природных и урбанизированных систем в условиях высокой сейсмической активности; вероятностные карты сейсмической опасности высокогорных и предгорных территорий могут быть использованы при создании официальных карт сейсмического микрорайонирования территории г.Владикавказа, непосредственной основы сейсмостойкого строительства.
Апробация работы и публикации.
Основные положения исследования были представлены и доложены на международной конференции по районированию и сейсмостойкому строительству (Сочи, 2003); на международной конференции "Information Society priorities: New Prospects for European CIS Countries" (Москва, 2003); на первой международной конференции «Земля из Космоса - верные решения» (Москва, 2003); на международной научной конференции «Информационные технологии и системы: наука и практика» (Владикавказ, 2003); на
8 научно-техническом заседании Совета по Безопасному развитию урбанизированных территорий (Санкт-Петербург, 2003); на V Всеукраинской научно-технической конференции «Строительство в сейсмических районах Украины» (Ялта, 2004); на международной конференции «Предупреждение опасных ситуаций в высокогорных районах» (Владикавказ, 2004); на международной конференции по устойчивому развитию горных территорий (Владикавказ, 2004); в Институте геоэкологии РАН (Москва, 2004); на V Генеральной Ассамблее Азиатской Сейсмологической Комиссии (Ереван, 2004); на семинарах и заседаниях рабочих групп, посвященных выполнению международного проекта «Сейсмический риск больших городов Кавказа» (Тбилиси, 2004; Владикавказ, 2004); на научно-техническом семинаре «Сейсмобезопасность территории Северного Кавказа (Кисловодск, 2005); на заседаниях Ученого Совета и семинарах Геофизического центра экспериментальной диагностики (Владикавказ, 2003-2005г.г.).
По теме диссертации опубликовано 13 работ. Личный вклад автора. Вся обработка данных, расчеты различных параметров сейсмического поля произведены лично автором или под его непосредственным руководством на основе освоения им ряда современных компьютерных программ. Результаты исследования интерпретировались автором в тесном сотрудничестве с его научным руководителем.
Благодарности. Автор глубоко благодарен научному руководителю В.Б.Заалишвили за постоянное внимание и поддержку. Особую благодарность автор выражает академику В.И.Гончарову за ценные советы и рекомендации. Автор также признателен профессору Е.А.Рогожину и другим коллегам за консультации и помощь.
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из 4 глав, выводов, заключения. Список литературы состоит из 272 наименований. Общий объем работы 164 страниц текста, включая 74 рисунка и 5 таблиц.
Информационные технологии в задачах изучения природных систем
Экологический мониторинг - это информационная система наблюдений, оценки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды, созданная с целью выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне природных процессов. Система экологического мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию: - о состоянии окружающей среды; - о причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния (т.е. об источниках воздействия); - о допустимости изменений и нагрузок на среду в целом и т.д. [Николайкин и др., 2004].
Очевидно, что без объективной информации о состоянии окружающей среды и тенденциях ее изменения невозможна практическая реализация мер по ее защите. Несмотря на то, что сама система экологического мониторинга не включает непосредственную деятельность по управлению качеством окружающей среды, а лишь дает информационную базу, она является важнейшим этапом при разработке управленческих стратегий, поскольку экологический мониторинг можно считать информационной системой обеспечения экологической безопасности.
Информационная система наблюдений предполагает применение современных технологий для изучения и решения задач природных систем. Важнейшим компонентом информационных систем является база данных. База данных - совокупность связанных данных, организованных по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения, и манипулирования, независимая от прикладных программ. Это понятие вошло в употребление в 1960 -гг. База данных представляет собой информационную модель предметной области, например экологическая база данных по конкретному региону может содержать информацию о природных условиях территории, населения, природных и антропогенных загрязнителях окружающей среды и их источниках и т.д.
Работа с базами данных осуществляется с помощью системы управления базами данных (СУБД). Основные функции баз данных в управлении качеством окружающей среды - собственно информационная база и основа для работы географических информационных систем.
Географические информационные системы (ГИС) обеспечивают возможность нового взгляда на окружающий нас мир с помощью современных компьютерных технологий, применяемых для картирования и анализа объектов реального мира, а также событий, происходящих на планете. Эти технологии объединяют традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации географического (пространственного) анализа, которые представляет карта. Указанные параметры отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий принимаемых решений.
Основные задачи, которые решаются с помощью ГИС: ведение комплексного и отраслевого кадастра; поиск и рациональное использование природных ресурсов; мониторинг экологических ситуаций; контроль условий жизни населения; картографирование - создание тематических карт, национальных и региональных атласов, обновление карт; территориальное и отраслевое планирование и управление промышленностью, сельским хозяйством, транспортом, энергетикой и многие др. ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. В настоящее время широкое распространение приобретают дистанционные методы изучения окружающей среды. Дистанционное зондирование Земли в системе оценки качества окружающей среды имеет особое значение. Географические исследования и тематическое картографирование являются основными потребителями данных дистанционного зондирования (ДЗ) Земли, их применение и компьютерная обработка стали стимулом прогресса в области исследования геосистем. Получаемые в результате ДЗ аэрокосмические снимки важны здесь в двух формах применения: как источник оперативной и современной информации и как основа для создания тематической карты. Отражение в методах компьютерной классификации знаний логики экспертов-дешифровщиков обеспечивает создание карт сложного тематического содержания при комплексном изучении и мониторинге природных ресурсов. Данные ДЗ - это важнейший источник информации о природной среде для тематических слоев ГИС, для поддержания данных ГИС в актуальном состоянии, а ГИС-технологии способствуют максимально эффективному совместному использованию разных типов информации - оперативной аэрокосмической, наземной, картографической. Методология диагностики состояния антропогенно трансформированных экосистем находится в стадии непрерывного развития и имеет различия в разных регионах в соответствии с их реальными условиями. В целом разработанная концепция диагностики состояния экосистем в сфере антропогенных воздействий базируется на анализе информации по следующим трем блокам: 1. Исследование структурно-функциональной организации естественных и антропогенно трансформированных экосистем. 2. Исследование зонально-региональных особенностей территорий и экоситем. 3. Изучение «отклика» экосистем на антропогенные воздействия. Диагностика состояния экосистем осуществляется на зонально-региональном уровне, обеспечивающем выбор наиболее информативных показателей их структурно функциональной организации и индикаторов воздействия, и включает: а) ранжирование фитоценотических и экологических показателей по индикаторной роли в зависимости от природных условий, характера и степени антропогенного воздействия; б) использование дистанционной и наземной информации и методов ее обработки. Проведенные в разное время исследования позволяют сформулировать основные требования при выборе критериев диагностики состояния экосистем. - Учет региональной специфики процессов антропогенной трансформации экосистем. - Выделение в пределах антропогенно трансформированных территорий экосистем, наиболее чувствительных к воздействию, как индикаторов степени нагрузки. - Минимизация числа показателей реакции экосистем на антропогенные воздействия по принципу наибольшей информативности. - Выявление компонентов экосистем и видов индикаторов для оценки состояния экосистем. Задача исследования промышленного воздействия на природную среду по материалам космических съемок имеет в настоящее время особое значение. Это обусловливает необходимость специальной разработки методов компьютерного дешифрирования. В современных условиях, когда исследователь в области дистанционного зондирования располагает большим объемом аэрокосмической информации и широким набором компьютерных средств для ее обработки, актуальна проблема подбора наиболее рациональных алгоритмов автоматизированного дешифрирования с учетом таких критериев, как достоверность компьютерной классификации, степень ее детальности, допустимый объем обрабатываемой информации, время счета. Разработка методики компьютерного дешифрирования последствий техногенного воздействия на природу, проявляющаяся в первую очередь в состоянии растительности, составляла одну из главных задач исследований по совместному проекту МГУ-SPRI-WSMC.
Основной показатель состояния экосистем - повреждение растительности -находит отражение в ее спектральных характеристиках, и задача заключается в определении возможности разделения по этим характеристикам.
Сейсмологическая сеть наблюдений. Региональная и локальная сети наблюдений на Северном Кавказе
Внезапные геодинамические явления уносят множество человеческих жизней и оставляют после себя массу разрушений. Будь то землетрясения, горные удары или внезапные выбросы пород на шахтах и рудниках - у них есть одно общее: они непрогнозируемые. Во всяком случае, несмотря на отдельные успешные прогнозы тех или иных явлений, уровень их прогноза во временном пространстве при сегодняшнем уровне знаний и обработки данных в рутинных ситуациях, практически, невыполним.
Прогнозировать то или иное явление - значит, наблюдать процессы, которые его подготавливают, с тем, чтобы, экстраполируя их в перспективу, оценивать вероятность возникновения этого явления. Само собой разумеется, что если физические основы явления не определены известна и неизвестны процессы, ему предшествующие, то о прогнозировании не может быть и речи.
Теоретические разработки в области геодинамических явлений базируются на том, что причиной их является напряженно-деформированное состояние горных пород, что приводит к разного рода энергетическим дисбалансам. В то же время, теоретические построения на основе положений, экспериментально не регистрируемых, являются, по сути, построениями гипотетическими. Поэтому все дальнейшие реализации любого прогноза должны базироваться исключительно на экспериментальных данных. В связи с этим, основой для изучения какого либо конкретного явления являются инструментальные наблюдения или системы наблюдений, позволяющие непосредственно получать исходную информацию. При этом указанные данные необходимо корректно обрабатывать.
В состав сейсмической сети Российской академии наук входит более 140 сейсмических станций и 9 центров сбора и обработки данных (Рис.2.1.). Сеть имеет трехуровневую структуру (телесейсмический, региональный и локальный уровни). Уровень зависит от масштабов наблюдений и магнитуды регистрируемых землетрясений. Локальные наблюдения проводятся на территории порядка 100 на 100 (км), чаще всего охватывают прогностические полигоны и обеспечивают изучение сейсмичности с магнитудой 1.0-2.0 и более. Региональные сети расположены в сейсмоактивных регионах типа Камчатки, Сахалина, Северного Кавказа, Байкала и др. Они охватывают территории порядка миллиона кв. км и регистрируют землетрясения с магнитудой 2.0-3.0 и более. Телесейсмическая сеть РАН ведет наблюдения за всей территорией России с магнитудой уровня 4.5 и более и обеспечивает участие страны в глобальных сейсмических наблюдениях на всем земном шаре. В состав сейсмической сети любого уровня входят сейсмические станции, каналы передачи данных и центр сбора и обработки данных. Сети всех трех уровней тесно между собой увязаны и дополняют друг друга. Результатом работы сейсмической сети любого уровня являются сейсмологические каталоги и бюллетени. В каталогах публикуются данные о местоположении, времени и силе землетрясений, происшедших в пределах территории, охваченной станциями сети. Создание региональных сетей осуществляется на базе широкополосных станций, либо на основе ряда локальных сетей, покрывающих равномерно территорию региона и объединенных в единую систему сбора и обработки данных. Последняя форма организации региональной сети представляется более предпочтительной. На Камчатке, например, уже созданы три локальные сети с радиотелеметрической системой сбора станционных данных, создающие основу региональной сети Камчатки. Оперативный доступ к текущим данным осуществляется через локальную сеть или интернет. Все три локальных центра связаны по межкомпьютерным каналам связи с региональным центром. Поток сейсмических данных с локальных сетей накапливается в региональном центре на лазерных дисках. В региональном центре ежедневно производится определение местоположения гипоцентров землетрясений и выпускается оперативный сейсмологический бюллетень. Кроме того создана служба срочного оповещения о сильных землетрясениях региона. Эти данные немедленно передаются, а Главное управление гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций по Камчатской области и в центр Службы срочных донесений в Обнинске. В настоящее время работы в указанном направлении продолжаются и в других регионах страны, в том числе, и на Кавказе.
Основу интерпретации экспериментальных сейсмических данных, которые дают наиболее полные и достоверные представления о внутреннем строении Земли, сейсмичности и современных тектонических процессах, протекающих в ее недрах, составляют обратные кинематические задачи сейсмологии. Определение координат гипоцентров землетрясений относится к числу обратных кинематических задач и является одной из основных задач экспериментальной и теоретической сейсмологии. Ее актуальность определяется потребностями экспериментальной сейсмологии, сейсмотектоники, инженерной сейсмологии, сейсмического районирования, предсказания землетрясений, глубинных сейсмических исследований и т.д. Определение координат гипоцентров распадается на две самостоятельные задачи: анализ исходной системы уравнений, который приводит к рассмотрению различных задач оптимального размещения сейсмических станций (задачи планирования сейсмологического эксперимента) и построение оптимальных алгоритмов определения координат гипоцентров землетрясений при различных исходных данных.
Задача определения координат гипоцентров является нелинейной и ее решение в настоящее время базируется на методе линеаризации, который в свою очередь основан на разложении исходных нелинейных уравнений в ряд Тейлора в окрестности решения. Получаемая в результате линеаризации система линейных уравнений носит, таким образом, локальный характер, решение которой справедливо только в окрестности точки разложения исходных уравнении. Решение таких систем уравнений находится обычно итерационными методами. Если итерационный процесс сходится и сама задача устойчива, то проблем при определении координат гипоцентров возникать не должно.
Точность определения параметров гипоцентров землетрясений в значительной степени зависит от места взаимного расположения сейсмических станций и их положения относительно гапоцентральной области. Под оптимальным расположением станций понимается такое их положение, при котором погрешности в определении параметров гипоцентров землетрясений принимают минимальные значения. Особое значение приобретают укзанные особеннтси при развертывании временных сетей наблюдений [Арефьев, 2003].
Идентификация зон возникновения очагов землетрясений (ВОЗ)
Данные такого районирования сопоставляются с имеющимися сейсмологическими материалами, и для каждой сейсмотектонической обстановки выявляется своя величина Мтак, которая приписывается всем остальным районам с аналогичной сейсмотектонической обстановкой. Затем сведения о распределении районов с различной М х сопоставляются с данными о разломной тектонике и на этой основе выявляются ориентированные в пространстве ВОЗ землетрясений, распространенные прерывисто. Даже в пределах одной и потенциальных очагов неоднократно меняется. Этот подход существенно отличается от картирования зон возникновения ожидаемых землетрясений в виде протяженных на сотни километров полос, в любой части которых предполагается возникновение максимально возможных землетрясений [Рогожин,2002].
На большей части территории Кавказского региона можно ожидать землетрясения с магнитудой М=6.0, а ряд сейсмоактивных зон могут породить сейсмические толчки с магниту дами М=7.0 и более (до М=7.8). Хотя очаги наиболее сильных землетрясений недавнего прошлого в центральной части Кавказа связаны с продольными структурами кавказской ориентировки, в целом они приурочены к Транскавказскому поперечному поднятию. Эта структура пересекает с юга на север, вкрест простирания, весь Кавказ, заканчиваясь северным окончанием Минераловодского выступа и Ставропольским поднятием [Рогожин и др., 1998].
При Рачинском землетрясении имели место разнообразные экзогенные процессы: обвалы и оползни. Имели место также каменные и грязекаменные лавины. Следует отметить, отдельные оползни и разжижение грунтов при Спитакском землетрясении. К особенностям очагов перечисленных сейсмических событий относятся их неглубокое, приповерхностное залегание, большие размеры (длина и ширина измеряются десятками километров) и значительные нарушения поверхности.
Очаг Спитакского землетрясения вспорол поверхность Земли в виде протяженной системы сейсмических разрывов. По данным «траншейных» исследований палеосейсмичности доказано, что и ранее (примерно 25 000, 17 000 и 3000-5000 лет тому назад) в этом очаге уже возникали подобные или даже более сильные сейсмические события [Рогожин, 2000].
Сейсмотектонические зоны северного склона северо-западного сектора Большого Кавказа характеризуются низким или умеренным уровнем сейсмической опасности. Расчетная Мтах=3.7-5.1, а глубина гипоцентров ожидаемых землетрясений здесь до 10 км. Землетрясения такой силы обычно не оставляют сейсмодислокаций на земной поверхности. По-видимому, эта оценка представляется правильной, поскольку никаких следов сейсмогенных нарушений на поверхности и в приповерхностных горизонтах в изученных зонах разломов северного склона не найдено [Рогожин, Овсюченко, 2001]. В то же время сейсмотектонические зоны южного склона Северо-Западного Кавказа значительно более сейсмоактивны. По разным оценкам, сейсмический потенциал ожидаемых здесь землетрясений Мтах=6.5-б.9. Землетрясения такой силы при глубине очагов 10-12 км могут оставлять на поверхности Земли видимые сейсмодислокаций как первичного (сейсморазрывы), так и вторичного (оползни, обвалы и др.) типов. В высокоактивных с геологической точки зрения зонах разломов можно предполагать наличие деформаций поверхности, оставленных сильными доисторическими или историческими землетрясениями.
Особенность Северного Кавказа и, в частности, Северной Осетии заключается в высокой плотности населения. Поэтому любой неожиданный опасный геологический процесс приведет к катастрофе. Проведенные исследования Казбекского и Кельского вулканических центров на Северном Кавказе [Богатиков и др., 2003; Бондырев и др., 2004] показывают, что непрогнозируемые извержения возможны в случае сильных землетрясений (М 7) с эпицентрами менее 150 км от вулканов. Учитывая, что расстояния до густонаселенных районов РСО-А и Грузии это, несомненно, обуславливает необходимость продолжения исследований [Бондырев и др., 2003].
Одними из главных исходных характеристик землетрясений являются их сила (магнитуда или интенсивность) и повторяемость. Другие характеристики или определяются ими или значительно от них зависят. При этом они подчинены очень важной особенности, чем больше событие, тем реже оно происходит. Тем не менее, т. к. их распределение во временном пространстве характеризуется высокой неопределенностью, сильное событие представляет вполне реальную угрозу для застройки и населения. Особое значение имеют данные событий для Центральной части Кавказа. Территория, характеризуемая умеренной сейсмической активностью, проявляет высокую сейсмичность всегда неожиданно. А поэтому риск весьма велик для такого региона как Кавказ, где плотность населения наибольшая из сейсмически опасных регионов России.
В последние годы при обработке различных видов научной информации стремительно растет роль компьютерных технологий. Особенно остро стоит указанная проблема в геофизике. Действительно здесь имеется много направлений, где одновременное использование большого числа данных, причем часто неоднородных, представляет большую проблему и практический интерес для их полноценного информационного изучения и последующего анализа. В частности, многие вопросы решаются с помощью компьютерных программ визуализации [Полтавцев и др., 1996].
В настоящее время из известных программ визуализации можно выделить систему IRIS Explorer. Это программный комплекс для обработки и анализа больших массивов данных (в частности, изображений) научно-технического характера. IRIS спроектирован как рабочий инструмент для решения широкого круга конкретных исследовательских задач.
Очевидно, наиболее эффективным примером приложения ЗО-визуализации данных может служить компьютерная томография. Это один из методов объемной реконструкции внутренней среды. В основе таких геофизических моделей до последнего времени преобладают эмпирические подходы. Разработка современных сейсморазведочных станций с мощным программным обеспечением позволила значительно расширить разрешение изображений. Сочетание специальной аппаратуры сканирования и математических методов реконструкции позволяет получить числовые данные, характеризующие физические свойства среды на множестве точек, расположенных регулярно в некотором объеме. Средства машинной графики позволяют показать эти данные в естественном виде. Работая с системой визуализации, геофизик может, например, детально рассмотреть смену слоев грунтов или грунтовую линзу с разных позиций и выделить некоторые особенности: уровень грунтовых вод, мощность обводнения и т.д.
Весьма актуальным является построение системы объемных сейсмических моделей на территориях с повышенным сейсмическим риском. Наряду с Кармадонским ущельем, где произошел сход ледника Колка с тяжелыми социальными потерями, сюда можно отнести горнодобывающие предприятия, по которым проектируемое техногенное воздействие не всегда соответствует фактическому воздействию.
Связь сейсмических событий со сходом ледника Колка
Во многих публикациях, а также устных сообщениях о сходе ледника, большое внимание уделяется сейсмическим событиям, отмеченным в ближайший к сходу ледника Колка временной период с относительно близким расположением эпицентров от района катастрофы.
В связи с этим, с целью определения влияния на сход ледника Колка сейсмических воздействий, был проведен анализ отдельных землетрясений и выполнены расчеты проявления их интенсивности в районе стихийного бедствия с учетом затухания сейсмической энергии [81, 85].
Природная система, как правило, испытывает одновременные воздействия со стороны многих факторов. В связи с этим, целесообразно, при анализе состояния системы оценить воздействие как одного фактора, так и интегральное воздействие различных факторов в течение определенного периода. В последние годы в инженерной сейсмологии разработана подобная методика оценки [Ананьин, 1990]. В соответствие с полученными выводами сейсмический эффект ряда отдельных относительно слабых землетрясений формирует интегральный эффект, соответствующий одному более сильному землетрясению. В то же время, сильное землетрясение, нередко, формирует совершенно конкретный эффект, особенности которого по слабым событиям, следует прогнозировать с осторожностью.
В связи с тем, что в последний раз Колка характеризовался сходом в 1969г. [Панов, 1993], очевидно, для данной территории необходимо оценить возможное воздействие землетрясений, происшедших после указанного времени.
Самым первым сильным событием в указанный период, очевидно, стало Дагестанское землетрясение 1970г. На территории г.Владикавказа оно проявилось с интенсивностью 4-5 баллов [Сейсмическое ..., 1970], но о каком либо влиянии на состояние нам неизвестно, хотя в это время здесь работала государственная комиссия в связи с тогдашним сходом ледника Колка. Достаточно большим было также проявление на территории г. Владикавказа (4 балла) Черногорского землетрясения происшедшего 26 июля 1976 г. в Чечне.
29 апреля 1991г. в Грузии произошло разрушительное Рачинское или Рача-Джавское землетрясение с магнитудой М=6.9-7.2. Интенсивность сотрясений в обширной эпицентральной области доходила до 9 баллов по шкале MSK-64. В.Б. Заалишвили с группой коллег выделял эти наиболее пострадавшие районы [Папалашвили и др., 1997]. Очаги главного толчка и наиболее сильного афтершока 15 июня 1991г. указанного землетрясения были расположены на эпицентральном расстоянии порядка Д=50-70км от ледника Колка.
23 октября 1992г. в Грузии произошло разрушительное Барисахское землетрясение с магнитудой М=6.5. Очаг главного толчка был расположен на эпицентральном расстоянии Д=52км от ледника Колка. Интенсивность землетрясения в эпицентре составила при данном землетрясении 7-8 баллов. Следует принять, что указанные землетрясения, очевидно, не вызвали заметных обвальных явлений в районе ледника Колка, на которые бы обратили внимание ученые и специалисты, активно работающие в области исследования движений ледников. С другой стороны, до времени трагедии было еще 10-11 лет, и процесс накопления критической массы для процесса следующего схода ледника еще только начинался. Строго говоря, учитывая, что процесс схода ледника Колка в 1969г. был совершенно иным, и в его ложе частично осталась формирующая масса, на возможность влияния землетрясений в 1991-1992г.г., очевидно, нужно было обратить внимание.
Но вернемся к событиям 2002г. Наибольшее количество землетрясений, зафиксированных локальной сетью сейсмических наблюдений Геофизического центра экспериментальной диагностики (ГФЦЭД) в 2002г, приходится на январь (9), июнь (14), октябрь(Ю), и ноябрь (14), а на остальные месяцы года приходится всего 2-5 событий. Эпицентры 45 землетрясений (57%) расположены в пределах трапеции карты К-38-А (куда входит территория РСО-А), а их расстояние от места схода ледника варьирует в пределах 18-232 км. Следует отметить, что величина регистрируемого минимального уровня воздействия, учитывая процесс затухания сейсмической энергии, фактически, является уровнем триггерного включения регистраторов РСС «Альфа-Геон» станций сейсмических наблюдений локальной сети ГФЦЭД. Другими словами, сейсмические станции работают в ждущем режиме и включаются при достижении амплитудно-частотной характеристикой движения грунта соответствующих значений.
Далее оценим интенсивность приведенных и других землетрясений, которые могли оказать заметное воздействие на исследуемый район. Сейсмический эффект землетрясения традиционно оценивается на основе использования макросейсмической интенсивности. Для получения необходимой информации были откорректированы макросейсмические данные по 43 значительным землетрясениям, происшедшим на Кавказе. При этом были выбраны данные о 37 землетрясениях и в отдельных случаях были составлены новые карты изосейст в масштабе 1:500 000. Расчет коэффициентов и среднеквадратического отклонения затухания произведен с помощью метода двухступенчатой регрессии. Этот метод позволяет разделить определение зависимости магнитуды от определения зависимости затухания колебаний грунта от расстояния. Корреляционное соотношение между интенсивностью и магнитудой для различных сейсмических событий имеет следующий вид [Javakhishvili at el., 1998]:
Приведенные в таб.4.2 данные расчетов интенсивностей были получены с помощью указанных формул. При этом результаты, полученные с помощью различных формул, находились между собой, в основном, в соответствии. В то же время, расчеты для умеренных землетрясений, проведенные с помощью соотношений (4.1) и (4.2) дают несколько завышенные результаты. Наиболее оптимально - соотношение (3.3), полученное уже после Рачинского землетрясения. Следует отметить, что для землетрясения с магнитудой М=3.9 расчет с помощью формулы (3.2) для малых событий дает явно неверные результаты.
В связи с этим следует отметить, что ранее при исследованиях формирования нелинейных явлений, обусловленных воздействиями различного энергетического уровня, было установлено, что при сейсмических событиях с магнитудой превышающих М=3, в грунтах начинают отчетливо проявляться нелинейные эффекты [Заалишвили, 2000]. Таким образом, землетрясение с М=3.9 не может быть отнесено к малым событиям.
Расчеты показывают (таб.4.2), что интенсивность проявления Рачинского землетрясения могла составить в районе ледника Колка 5-6 баллов по сейсмической шкале MSK-64. При таких интенсивностях вполне могли иметь место деформации горных пород, смерзшихся (после зимнего сезона) с телом висячего ледника. При этом в г.Владикавказе т.н. фоновая интенсивность проявления данного землетрясения составила 4 балла [Папалашвили и др., 1997].
