Введение к работе
Актуальность проблемы. Управление природными и техническими системами как регионального, так и локального уровней по критериям безопасности требует: разработки программного и нормативно-правового обеспечения; создания многопараметрических систем мониторинга; определения текущего состояния системы по специально разработанным индикационным показателям; выявления критических элементов и разработки мер по повышению уровня безопасности системы; выбора наиболее вероятного сценария ЧС, определяющего необходимость и последовательность тех или иных управленческих решений.
Возрастающая при приближении к времени ЧС эффективность отдельных мероприятий - создание аварийных запасов, обучение населения и др. -повышает актуальность исследований по среднесрочному и краткосрочному прогнозу геодинамической опасности. Среднесрочный прогноз невозможен без информации по разломно-блоковой структуре и прочностным неодно-родностям среды, локализации областей деформаций, процессам переконцентрации напряжений и другим факторам, определяющим деструкцию как всего Байкальского рифта, так и отдельной сейсмоактивной зоны. Изменение трещиноватости горных пород в процессе подготовки коровых землетрясений является важнейшей характеристикой, проявляющейся в большинстве физических полей (сейсмическом, магнитном, электрическом и гравитационном, гидродеформационном).
Теоретически показано, что современные сейсмические методы в состоянии определять изменение напряженно-деформированного состояния среды по вариациям скоростных и поляризационных характеристик сейсмических волн, проходящих непосредственно через зоны трещиноватости - ди-латансии (Алексеев, 1997; Гольдин, 2001). Тем не менее в многочисленных экспериментах в России и за рубежом по-прежнему, не обнаружены аномалии скоростных и поляризационных характеристик сейсмических волн, имеющих четко выраженную тектоническую природу, соответственно неизвестными остаются амплитуды и длительность во времени подобных вариаций (Николаев, 1990; Yushin et al., 1994; Глинский и др., 1999; Еманов и др., 1999).
Неудачи активного и пассивного геофизического мониторинга во многом обусловлены не только малыми скоростями накопления и релаксации сейсмотектонической энергии, сложными взаимосвязями измеряемых параметров между собой и состоянием наблюдаемых геосистем, но и сравнительно небольшой длительностью рядов, неразвитостью площадных сейсмо-наблюдений, что в конечном итоге мешает выявлению нестационарностей сейсмического потока на низких энергетических уровнях, обнаружению отклонений от многолетних трендов в геофизических, геохимических и других полях - возможных пороговых индикаторов метастабильного развития очагового процесса. На Южно-Байкальском геодинамическом полигоне первоочередной интерес с учетом уже имеющейся инфраструктуры активного и
пассивного сейсмониторинга и возможных социально-экономических последствий представляют активизировавшаяся Южно-Байкальская и с недавних пор перешедшая в метастабильное состояние Селенгинская сейсмогене-рирующие зоны.
Несмотря на бесспорный прогресс технологий строительства, сильные и катастрофические землетрясения приводят к многочисленным повреждениям и обрушению считавшихся сейсмостойкими зданий. Натурными исследованиями колебаний сооружений при высоких уровнях динамических нагрузок занимались К.Суэхиро, Омори, Ватанабе, С.В.Медведев, С.В.Поляков, Г.А.Шапиро, Я.М.Айзенберг, Г.Г.Абашидзе, Т.Ж.Жунусов, A.M. Курзанов, Ю.А.Бержинский и др. Необходимость дальнейшей эксплуатации испытуемых зданий, ограниченный диапазон допустимых нагрузок и деформаций в этих экспериментах, потребность специальной подготовки и использования громоздкого оборудования делают натурные виброиспытания скорее уникальными, чем пригодными для накопления представительных экспериментальных данных. Восполнить дефицит информации можно не только развертыванием на зданиях-представителях сети инженерно-сейсмологических станций, но и организацией регулярного мониторинга их состояния после серии сильных и ощутимых землетрясений 1999-2008 гг. на Южном и Среднем Байкале.
Главный недостаток большинства известных инженерно-сейсмологических методик - единичное количество точек измерений, обеспечивающих лишь некоторую «среднюю», весьма приближенную оценку частот и амплитуд колебаний. Применение подобных методов измерений затрудняет верификацию сложных динамических моделей зданий. Бесспорное новаторство и главное преимущество метода стоячих волн (Еманов, 1997) -использование процедуры приведения записей микросейсм к единому времени, что позволило реализовывать плотные системы наблюдений и выполнять детальную дефектоскопию зданий с малоканальной аппаратурой. Несмотря на несомненные достоинства, первоначальная ориентация измерений исключительно на дефектоскопию по аномалиям амплитуд и частот регистрируемых микросейсм, потребовали адаптации метода с учетом потребности микродинамического мониторинга зданий-представителей, идентификации модальных форм, уточнения природы и прочностных характеристик выявленных динамических аномалий, верификации расчетных динамических моделей, определения остаточного ресурса сооружений в сейсмоопасных районах.
Цель работы - изучение изменений напряженно-деформированного состояния природных и технических систем методами комплексного геофизического мониторинга для обоснования превентивных мероприятий, направленных на обеспечение безопасности жизнедеятельности населения и хозяйственного комплекса Юго-Восточного Прибайкалья.
Задачи исследований:
1. Развитие и повышение представительности плотных систем активного и пассивного мониторинга за счет регистрации слабой местной сейсмичности и микроземлетрясений.
-
Уточнение по результатам многолетних наблюдений разломно-блоковой структуры и реконструкция полей напряжений в сейсмогенери-рующих зонах юго-восточной части Байкальской рифтовой зоны.
-
Анализ регионального сейсмологического каталога Прибайкалья и многолетних рядов геофизических наблюдений.
-
Апробация и оценка возможностей микродинамического модального способа (вибродефектоскопии) при натурных вибрационных исследованиях и мониторинге состояния зданий и сооружений.
-
Создание инструментальными методами базы данных по динамическим характеристикам основных типов застройки Прибайкалья, в том числе испытавших воздействие местных землетрясений.
Методы исследований и фактический материал. Основу работы составляют экспериментальные данные, полученные коллективом сотрудников лаборатории методов сейсмопрогноза ГИН СО РАН в 1992-2008 гг. под руководством и при непосредственном участии соискателя и в тесном содружестве с ИГФ, ГС, ИВМиМГ, ИЗК СО РАН.
В качестве первоочередного объекта детальных наблюдений за измене
ниями различных геофизических параметров выбрана Селенгинская и сопре
дельные к ней сейсмогенерирующие зоны, расположенные в координатах
51,5-53,0 с.ш., 105,0-108,0 в.д. Начиная с 1991 г. в результате целена
правленных усилий соискателя при поддержке органов местной власти, Пре
зидиума и институтов СО РАН была создана и оснащена сеть геофизического
мониторинга (сейсмологического, тектономагнитного, атмо-
геохимического), проведены эксперименты по оценке возможности приема вибрационного сигнала на сети региональных и локальных сейсмологических наблюдений и организованы регулярные сеансы вибромониторинга в режимах монохромного и свип-излучения.
Совместные с ИЗК СО РАН эксперименты с вибрационным источником на зданиях-представителях серии 1.120с, достаточно широкий диапазон амплитуд вибрационного воздействия, значительное число циклов нагрузок, наличие пространственной системы инструментальных наблюдений до, в время и после эксперимента предоставило уникальный материал для оценки информативности микродинамического метода и изучения нелинейного поведения конструкций под динамической нагрузкой.
Детальные инструментальные исследования комплексом неразрушаю-щих электромагнитных, сейсмических, акустических методов позволили создать базу данных динамических параметров и косейсмических деформаций жилых и общественных зданий различных типов застройки городских поселений Прибайкалья.
Основные защищаемые положения (результаты)
1. Проявления пространственно-временной нестационарности диссипа-тивного процесса, наблюдаемые в очаговых зонах Южного и Среднего Байкала в виде усиления энергии сейсмического потока на фоне миграции сейсмических кластеров в краевые части разломных зон и к периферии асейс-мичных перемычек - сейсмических брешей, являются пороговыми индикато-
рами перехода контролируемой очаговой зоны в метастабильное состояние подготовки землетрясения повышенной на 1-3 класса энергии.
-
По результатам многолетних детальных сейсмологических и вибросейсмических наблюдений на созданной территориально-распределенной Селенгинской системы геофизических наблюдений доказана эффективность активного (вибросейсмического) - и пассивного (сейсмологического и геофизического) мониторинга, существенно дополняющего данные опорной сейсмологической сети, особенно по потоку низкоэнергетических землетрясений, и способствующего более полной реконструкции деформационного процесса на низких структурно-иерархических уровнях.
-
Реализованная на основе микродинамического модального способа процедура оценки состояния технических систем с высокой достоверностью выявляет различного рода дефекты по локальным нарушениям линейной структуры волнового поля (по снижению когерентности, аномалиям фаз и амплитуд), уточняет их природу комплексом неразрушающих (сейсмоаку-стических, электромагнитных и др.) методов и допускает количественную интерпретацию измеренного вектора частот и значимых форм колебаний подбором динамических параметров (модальных масс, жесткостей, затухания) линейной конечно-элементной модели.
-
Созданная при апробации микродинамического модального способа база данных (свыше 70 объектов) не только характеризует динамические особенности, но и формирует «дерево отказов» (типовых дефектов и деформаций) преобладающих типов застройки XVII-XXI вв. и может использоваться при мониторинге текущего состояния технических систем в сейсмических районах Прибайкалья. Подбором по измеренным частотам и модальным формам параметров верифицированных динамических моделей установлено снижение (до 20-30 %) начальной жесткости, что обосновывает необходимость сейсмоусиления или перепрофилирования жилых домов и зданий с массовым пребыванием людей постройки 1950-1980 гг.
Научная новизна. На основе многолетних детальных сейсмологических наблюдений, дешифрирования АКФС, морфоструктурного анализа рельефа дна оз. Байкала и с использованием результатов многоканального сейсмического профилирования составлена «Схема активной тектоники и сейсмичности Селенгинской очаговой зоны», необходимая для интерпретации данных активного (вибросейсмического) и пассивного геофизического мониторинга изменений напряжений в центральной части Байкальского рифта.
Впервые выявлена современная Посольская подзона сдвиговой деформации, субмеридионального направления, отмечаемая локальными пологими погружениями сейсмофокальных структур в северо-восточном и юго-восточном направлениях и выраженная в зигзагообразном характере эпицен-трального поля. В северо-восточной части Селенгинской очаговой зоны выделена Сухинская подзона преимущественно раздвиговых деформаций, что свидетельствует о продолжающемся развитии (с элементами сдвига и вращения) системы рифтовых сбросов.
Впервые при анализе пространственно-временной эволюции сейсмической активности в низких энергетических классах (К>6) выявлена миграция кластеров слабых землетрясений в 2003-2007 гг. из центра на юго-западный и северо-восточный фланги Селенгинской зоны, где возникли две крупных кластерных аномалии. Наряду с процессами кластеризации, в Селенгинской зоне отмечается усиление слабой сейсмичности в период с октября по апрель, вызванное триггерными процессами и свидетельствующее о переходе системы в метастабильное состояние.
Длительными наблюдениями на всех приемных сейсмостанциях впервые выделены плавные понижения разности фаз и повышения амплитуд в летний период, имеющие циклический (сезонный) характер, что подтверждает необходимость учета годовых вариаций амплитудно-фазовых характеристик стационарного вибросейсмического поля при исследовании геодинамических процессов методами сейсмической интерферометрии.
Вибрационными испытаниями зданий и строительных конструкций осуществлены измерения амплитудно-фазовых характеристик и контроль нарушений когерентности колебаний оказывается более эффективным при выявлении дефектов конструкций, чем измерение средних частот и параметров затухания собственных колебаний, которому уделяется значительное внимание в работах отечественных и западных инженерных сейсмологов.
Для инструментальной дефектоскопии зданий и сооружений апробирован комплекс неразрушающих электромагнитных, сейсмических, акустических методов, позволяющий выделять аномалии в объеме обследуемых объектов, оценивать их природу и определять износ и сейсмостойкость обследуемых зданий.
На основе детальных инструментальных обследований комплексом неразрушающих физических методов и вибродефектоскопии получена база экспериментальных данных по разнотипным зданиям различного назначения (школы, административные здания, магазины, жилые дома и т. д.), различных конструкционных схем и разных лет застройки, в том числе подвергшихся воздействию сильных местных землетрясений.
Практическая значимость работы. Результаты детальных сейсмологических наблюдений Селенгинской локальной сети используются в Региональном каталоге землетрясений Прибайкалья. Экспериментами показана возможность измерений вибросейсмического сигнала на удалениях до 250 км стандартной сейсмологической аппаратурой региональной сети Прибайкалья, что позволило наладить регулярный вибросейсмический мониторинг на площади более 20 000 кв. км.
«Схема активной тектоники и сейсмичности Селенгинской очаговой зоны» внедрена при инженерно-геологическом районировании Центрального Байкала (по заказу дирекции ОЭЗ ТРТ «Байкальская гавань»).
Методика динамических измерений, реализованная при исследованиях каркасного здания серии 1.120с, использована при разработке стенда на платформе вибратора ЦВО-100 для вибрационных испытаний фасадных систем и масштабных моделей зданий.
Протоколом от 09.06.2005 г. секции «Сейсмостойкость сооружений» НТС ГУП ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко модальный микродинамический метод, развиваемый ГИН и ГС СО РАН рекомендован: 1) для массового применения при комплексном обследовании зданий и сооружений; 2) при мониторинге состояния зданий в условиях техногенного и сейсмического воздействия; 3) при оценке как качества нового строительства, так и соответствия проектных моделей динамическим характеристикам завершенных зданий; 4) при проведении вибрационных испытаний зданий массовой застройки.
Результаты инструментальной дефектоскопии использованы при разработке проектов и усилении жилых зданий серий 1-335, 1-306 в г.Улан-Удэ, Иркутске, Ангарске, при доработке проекта каркасного здания серии 1.120с, при восстановлении ряда памятников архитектуры, реконструкции комплекса зданий Правительства Республики Бурятия, Оперного театра, хирургического комплекса Республиканской больницы и многих других объектов.
Актуальность результатов. Работа выполнялась в рамках следующих тем и проектов: по приоритетным направлениям РАН 6-20; СО РАН-28. «Экология и рациональное природопользование. Мониторинг окружающей среды; программа 28.1. Мониторинг и палеореконструкции глобальных изменений природной среды, климата и седиментогенеза в кайнозое Сибирского региона (блок 3. Мониторинг изменений напряженного состояния земной коры как фактора современных геодинамических перестроек Байкальского региона)»; программа Президиума РАН 13.12. «Физические основы и новые технологии среднесрочного прогноза (применительно к сейсмоактивным зонам юга Сибири)»; интеграционные проекты СО РАН № 77 «Стратегия прогноза землетрясений на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне»; № 101 «Геодинамические факторы современных катастрофических явлений на Северо-Востоке Азии»; № 90 «Комплексное исследование состояния и динамики развития экосистемы р. Селенги»; № 6.5.1. «Роль коллизионных и суб-дукционных процессов генерации изменений напряженного состояния и сейсмического режима литосферы Центральной Азии»; № 6.5.2. «Геофизическая характеристика земной коры сейсмоактивных зон Сибири»; междисциплинарный проект СО РАН № 122 «Ледовый покров оз. Байкал как модельная среда для изучения тектонических процессов»; программы Президиума РАН (проект «Динамика деформационных процессов в сейсмоактивных регионах Центральной Азии и очаговых зонах крупных землетрясений»).
Региональных и федеральных программ: ФЦП «Программа социально экономического развития Республики Бурятия» (государственный контракт № 2.21.2/6ф с Министерством экономического развития и торговли РФ по теме «Мониторинг состояния сейсмической опасности на территории Республики Бурятия»); ФЦП «Социально-экономическое развитие Республики Бурятия» (проект «Разработать методику оценки сейсмической опасности для территории Республики Бурятия»); региональная научно-техническая программа «Бурятия: Наука, Технологии, Инновации - 2002» (проект : «Разработка инновационных вибросейсмологических технологий контроля устойчивости природных систем в бассейне оз. Байкал»). Государственного
контракта 41-4/7'-г. «Геофизический мониторинг (вибросейсмический, сейсмологический, тектономагнитный) напряженного состояния очаговых зон Южного и Центрального Байкала» с Госкомитетом по природопользованию и охране окружающей среды по Республике Бурятия.
Грантов РФФИ 00-07-90256 «Развитие интегрированной корпоративной сети информационного обеспечения фундаментальных исследований академических институтов Бурятского научного центра СО РАН»; РФФИ-Байкал 05-05-97270 «Разработка метода многовекторного мониторинга Байкальского рифта с использованием гармонических вибросигналов фиксированных частот»; гранта INTAS 97-1040 «Создание региональной системы для экологического мониторинга в районе оз.Байкал».
Личный вклад автора. При личном участии на Байкальском геодинамическом полигоне создана локальная сейсмологическая сеть, восстановлен виброисточник ПВО-100 и поставлен ряд экспериментов с целью пробной регистрации свип-сигнала и когерентного сейсмического излучения. Спектральным анализом сейсмограмм выявлено, что вибрационный сигнал прослеживается с высокими соотношениями сигнал/шум на удалениях до 243 км. Полученные результаты подтвердили возможность регистрации вибросейсмического излучения стандартной сейсмологической аппаратурой. Последнее обстоятельство позволило с 2004 г. перейти к регулярному мониторингу южной и центральной частей Байкальского рифта с применением монохроматического и свип-излучения вибратора.
Активным мониторингом в режиме вибросейсмической интерферометрии определено, что точность измерений амплитудно-фазовых характеристик зависит от стабильности виброисточника и отношения сигнал/шум в каждом конкретном сеансе. Наиболее стабильными фазовыми характеристиками на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне отличаются станции приема «Хурамша», «Турунтаево», «Тырган», «Онгурены», «Закаменск» с высокими соотношениями сигнал/шум.
По личной инициативе диссертанта организованы сначала опытные, а затем, после доработки методики с учетом отраслевых требований, массовые обследования разнотипной застройки. В процессе совместной с ГС СО РАН апробации микродинамический метод стоячих волн подвергся доработке. Экспериментально установлено, что характеристики динамической системы (частоты, амплитуды, фазы) определяются с погрешностью <5 %, приемлемой для целей организации сейсмического мониторинга и изучения воздействия сильных местных землетрясений на здания и сооружения. Несколько хуже, при значительной интерференции волн в объеме сооружений, измеряются параметры диссипации. Натурными экспериментами обосновано использование не только амплитудных, но и фазовых характеристик колебаний между опорной и передвигаемыми в объеме здания точками измерений, что существенно улучшило идентификацию пространственных форм собственных колебаний.
В результате доработки методика инструментального обследования переориентирована на определение триады параметров: вектора собственных
частот; амплитудных (веса модальных форм) и фазовых характеристик свободных колебаний; реализованный подход позволил восстанавливать и однозначно идентифицировать значимые моды собственных колебаний; сопоставлять измеренные и вычисленные динамические характеристики; корректировать методом подбора расчетные модели и оценивать на их основе текущую сейсмостойкость зданий.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международном симпозиуме «Байкал как участок мирового природного наследия» (Улан-Удэ, 1998); региональной научно-практической конференции «Природные системы гор юга Сибири» (Улан-Удэ, 1998), международной научно-практическая конференции «Город: прошлое, настоящее, будущее» (Иркутск, 1998, 2004); совещаниях «Строительный комплекс востока Сибири» (Улан-Удэ, 1999;), «Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий» (Новосибирск, 2000); международном семинаре URSA-99 (г. Санкт-Петербург, 1999), на совещании на третьих геофизических чтениях им. В.В.Федынского (Москва, 2001); 1-ой международной школе-семинаре «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» (Красноярск, 2001); международном совещании «Earthqake Disaster Risk management for Ulaanbaatar» (Ulaanbaatar, 2002); международных конференциях «Проблемы сейсмологии III тысячелетия» (Новосибирск, 2003), «Математические методы в геофизике» (Новосибирск, 2003), «V российско-монгольская конференция по астрономии и геофизике» (Иркутск-Истомино, 2004), «VI Российско-Монгольская конференция по астрономии и геофизике» (Улан-Удэ, 2005); IV международном совещании по процессам в зонах субдукции Японской, Ку-рил о-Камчатской и Алеутской островных дуг (Петропавловск-Камчатский 2004); казахстано-российской международной конференции «Геодинамические, сейсмологические и геофизические основы прогноза землетрясений и оценки сейсмического риска» (Алматы, 2004), III,IV,V,VI российских национальных конференциях по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (с международным участием) (Сочи, 1999; 2001;2003;2005);
на всероссийских совещаниях: «Сейсмические опасность и воздействие» (Иркутск, 2000), «Проблемы региональной геофизики» (Новосибирск, 2001), «Напряженное состояние литосферы, ее деформации и сейсмичность» (Иркутск, 2003); III всероссийской научно-практической конференции «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (Красноярск, 2003).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, двух частей, включающих шесть глав, заключения и списка литературы из 230 наименований.
Благодарности. Соискатель искренне благодарен академику Н.Л. Доб-рецову, который будучи директором Геологического института направил мое внимание на проблемы сейсмологии и сейсмостойкого строительства. Глубоко благодарен академику СВ. Гольдину, докторам наук: А.Ф. Еманову, В.С.Селезневу, В.Д.Суворову, В.В.Ковалевскому, К.Г.Леви, О.В.Павлову, В.В.Ружичу, Т.Н. Чимитдоржиеву; кандидатам наук В.Г.Баранникову,
И.Н.Резанову, О.К.Массальскому, Ю.А.Бержинскому, Н.П. Кузьменко, B.C. Соловьеву, Е.Н.Черных, а также всем коллегам-сотрудникам ГИН, ГС, ИГФ, ИЗК СО РАН, совместные работы и обсуждение результатов с которыми определили реализуемые подходы к геофизическому мониторингу природных и технических систем.
