Сейсмические факторы лавинообразования: На примере Хибин

Ежегодно в мире от лавин гибнет в среднем около 200 человек, в России -20 человек [68]. Почти все горные районы Евразии, а также значительная часть горных районов Северной и Южной Америк подвержены лавинной опасности. Лавиноопасные районы занимают около 6% поверхности суши — 9253 тыс. км2 [23]. Площадь лавиноопасных территорий в Российской Федерации составляет 3077.8 тыс. км2 (18% от площади всех лавиноопасных районов Земли), 829.4 тыс. км2 относятся к категории потенциально лавиноопасных [23].

О том, что землетрясения могут вызвать сход лавин известно давно. Наиболее ярким примером этого, является снежноледокаменная лавина с горы Уа-скаран в Перу, в мае 1970 г. Снежная лавина, вызванная падением части ледника в результате землетрясения и трансформировавшаяся во время движения в грязекаменный поток, на своем почти двадцатикилометровом пути разрушила несколько населенных пунктов, в том числе город Ранраирка и часть города Юнгай. Число жертв составило 67 тыс. человек [47]. Массовый сход лавин отмечался также во время сильных землетрясений на Аляске в 1964 г. [47] и на Северном Тянь-Шане в 1978 г. [11]. В работе [35], на основе анализа наблюдений за лавинами и землетрясениями на о. Сахалин за 1951;1993 г. г., указывается на частые совпадения дат землетрясений и массового схода лавин. Если сравнить географическое распространение лавин и землетрясений, можно отметить, что во многих местах земного шара сейсмоактивные районы одновременно являются и лавиноактивными. (рис. 1,2).

В России к таким районам относятся горы Сахалина и Камчатки, Алтай и Саяны, Северный Кавказ, хребты Становой, Верхоянский и Сунтар-Хаята. Широкое распространение в мире и в России, в частности, районов с возможным сейсмическим генезисом лавин делает изучение этих лавин актуальным. Кроме этого, существует еще одна важная причина для исследования роли сейсмичности в образовании лавин. Многие годы для предупредительного спуска лавин используются взрывы. Взрывы сопровождаются сейсмическим эффектом, роль которого в образовании лавин до сих пор не ясна.

Рис. 2. Карта сейсмически-опасных районов мира [115].

В этой связи изучение влияния сейсмических колебаний, вызванных взрывами, на устойчивость снега на склоне и образование лавин является чрезвычайно актуальным для рационализации активных воздействий на снежный покров в горах с целью предотвращения лавинной опасности.

В настоящее время надежных данных о лавинах, вызванных сейсмическими событиями немного. Впервые в СССР о сейсмогенных лавинах упоминалось в работах [26,33,42,70], где авторами эти лавины были выделены в отдельный генетический тип. О сейсмогенном образовании лавин, более или менее надежно, можно судить лишь в случае их массового схода, когда моменты времени сейсмического события и регистрации сошедших лавин достаточно близки. Даже если достоверно известно о «сейсмическом происхождении лавины», очень редко для неё имеются данные измерений физико-механических характеристик снега, полученные в зоне зарождения лавины в моменты времени, достаточно близкие к сходу лавины. Данные инструментальных измерений харак-Ф теристик сейсмичности в зонах зарождения лавин вообще отсутствуют. Именно дефицитом необходимых данных объясняется отсутствие моделей сейсмоген-ного лавинообразования.

В работе [35] предлагается возможный механизм нарушения устойчивости снега, вызванного сейсмичностью, однако, лишь в виде концептуальной модели, которая не получила развития, опять же, вследствие отсутствия данных. В работе [59] приводятся данные о возможном влиянии сейсмичности, вызванной движением железнодорожных составов на параметры лавинного режима, но сделано это недостаточно строго, а вопрос о механизме воздействия не затрагивается вовсе. Там же указывается, что с увеличением сейсмических возмущений прослеживается тенденция к увеличению количества сходящих ежегодно лавин и уменьшению их объемов. Среднегодовой лавинный сток также имеет тенденцию к увеличению. В работе [11] описываются состояние снежного покрова предшествующее землетрясению и результаты его воздействия, механизм же воздействия сейсмических колебаний на образование лавин не рассмотрен.

Планировать натурные эксперименты для оценки влияния сейсмических колебаний, вызванных естественными землетрясениями, на устойчивость снега и образование лавин не реально из-за редкости этих событий. Природные землетрясения интенсивностью более 5 баллов1 редки и плохо предсказуемы. В свою очередь лавины, в отличие от оползней, формируются из очень изменчивого во времени и пространстве снежного покрова. Эти причины создают почти непреодолимые трудности для экспериментальных исследований лавинообра-зования, вызванных природными землетрясениями. Существует, однако, возможность проводить исследования для лавин, вызванных искусственной сейсмичностью, связанной с взрывами.

Хибинские горы на севере европейской части России представляют собой идеальное место для получения экспериментальных данных о лавинах и сейсмичности. Сотни лавин сходят здесь ежегодно в течение 7−8 зимних месяцев. С 1936 г. в Хибинах за лавинами, снежным покровом и погодой ведет регулярные наблюдения Центр лавинной безопасности ОАО «Апатит» (ЦЛБ). Крупномасштабные взрывные работы, проводимые ОАО «Апатит» при добыче полезных ископаемых, обеспечивают высокий уровень сейсмической активности. Каждую неделю в подземных рудниках и карьерах проводится несколько мощных взрывов с количеством взрывчатых веществ (ВВ) от десятков до сотен тонн. Лавинные очаги Хибинского горного массива находятся в непосредственной близости от производства горных работ и регулярно подвержены сейсмическому воздействию. Расстояния от мест производства взрывов до контролируемых ЦЛБ зон зарождения лавин варьируются от сотен метров до нескольких километров.

Целью работы является исследование влияния сейсмического воздействия на образование снежных лавин и разработка количественных методов оценки этого влияния. Для этого предлагается, используя физически обоснованные модели устойчивости снежного пласта на склоне, определить условия, влияющие Здесь и далее используется шкала интенсивности землетрясений Меркалли на его устойчивость и «спусковые механизмы», которые вызывают образование лавин при сейсмических воздействиях.

Задачи исследований. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи: обобщить и проанализировать сведения о лавинах, зарегистрированных ЦЛБ во время проведения технологических взрывов на рудниках ОАО «Апатит" — провести измерения параметров сейсмических колебаний, вызванных взрывами, в том числе в зонах формирования лавин, на подстилающей поверхности (скале) и на поверхности снежного покроваразработать математические модели для оценки механической устойчивости снега на склоне с учетом дополнительной сейсмической нагрузкиразработать методику пространственно-временной оценки устойчивости снега на склоне, с учетом сейсмического воздействия.

Методы исследований. В основе диссертации лежат данные полевых, оценочных и аналитических исследований. Работы проводились в двух областях: экспериментальной и теоретической.

Экспериментальные работы включали: отработку методики и собственно сейсмологические измерения непосредственно в лавиносборах и местах к ним прилегающимсбор данных о снеге, необходимых для оценки его устойчивостисоздание установки и методики для проведения лабораторных исследований влияния сейсмических колебаний на прочностные характеристики снега, а также сами измерения с помощью этой установки.

Теоретическая часть заключалась в построении математических моделей, учитывающих сейсмический эффект при оценке устойчивости снега на склоне. В этой области использовались методы обработки данных на ЭВМ, теории вероятностей и математической статистики, проводились численные эксперименты.

При работе над диссертацией были использованы следующие материалы: кадастр лавин ЦЛБ ОАО «Апатит», метеорологические и снеголавинные данные горно-лавинных станций, данные шурфований снежного покрова, данные о параметрах технологических взрывов, записи параметров сейсмических колебаний, топографические карты, справочные издания, научные отчеты ЦЛБ.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1 .Получены уникальные данные о характеристиках сейсмических колебаний в зонах лавинообразования, вызванных взрывами.

2.Впервые, на основании собранных данных, оценена статистическая связь между сейсмическими событиями и образованием лавин.

3.Разработаны статическая и динамическая модели, в детерминированном и вероятностном вариантах, учитывающие влияния сейсмических колебаний на механическую устойчивость снега на склоне (без учета изменения прочностных характеристик нижележащего слоя) и их программные реализации.

4.На основе современных методов пространственно-временного моделирования развития снежного покрова разработана методика пространственно.

4 временной оценки устойчивости снега, с учетом сейсмического воздействия.

5.Создана установка и разработана методика проведения лабораторных экспериментов по исследованию влияния сейсмических колебаний на изменение физико-механических свойств снега в лабораторных условиях для получения количественных показателей характеристик, влияющих на сейсмогенное лавинообразование.

Научные положения, выносимые на защиту:

1.Результаты оценки статистической связи между сейсмическими событиями и возникновением лавин.

2.Методы расчета механической устойчивости естественных масс снега на склонах гор с учетом сейсмического воздействия.

3.Метод пространственно-временной оценки механической устойчивости снега на склонах гор с использованием модели развития снежной толщи.

4.Методика для проведения экспериментальных работ в лабораторных условиях по исследованию влияния сейсмических колебаний на изменение прочностных характеристик снега.

Личный вклад автора заключается в:

1. Создание банка систематизированных данных по подземным и открытым взрывам и по лавинам связанным с ними более чем за 20 лет;

2. Выполнение количественной оценки статистической связи между образованием лавин и сейсмическими событиями;

3. Организации и проведении специализированных сейсмических наблюдений;

4. Разработке статической и динамической моделей влияния сейсмичности на механическую устойчивость снега на склоне;

5. Разработке, на основе модели развития снежной толщи, методики пространственно-временной оценки устойчивости снега с учетом сейсмического воздействия;

6. Создание установки (вибростенда), моделирующей сейсмические колебания, для исследования их влияния на прочностные характеристики снега в лабораторных условиях и разработке методики этих исследований;

7. Организации и проведении экспериментальных исследований влияния сейсмических колебаний на изменение прочностных характеристик снега на вибростенде.

Достоверность научных положений, выводов подтверждается: анализом систематизированных данных более чем за 20 лет о технологических взрывах на 4 рудниках в Хибинском горном массиве и лавинах, сошедших на промпло-щадке ОАО «Апатит» и прилегающей к ней территорииоценкой методами математической статистикиположительными результатами внедрения исследований в программный комплекс «Рабочее место прогнозиста лавин» в Центре лавинной безопасности ОАО «Апатит».

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Создан банк систематизированных данных более чем за 20 лет о технологических взрывах и лавинах, являющийся базой для совершенствования созданных и разработки новых методов оценки устойчивости снега и прогноза лавин, связанных с сейсмичностью.

2. Создан экспериментальный полигон, оборудованный стационарной и переносными сейсмическими станциями для полномасштабных экспериментов по оценке влияния сейсмичности на устойчивость снега и образование лавин.

3. Разработаны, в детерминированном и вероятностном вариантах, статический и динамический методы учета влияния сейсмических колебаний при оценке лавинообразования, которые могут быть успешно применены как в лавиноопасных регионах с естественной сейсмичностью, так и в регионах с преобладанием техногенных землетрясений. Показано, что существующие модели пространственно-временного развития снежного покрова могут быть успешно интегрированы в указанные методы для пространственно-временной оценки механической устойчивости снега на склонах. Это особенно актуально для районов со слабо развитой сетью мониторинга физико-механических характеристик снега.

4. Для дальнейшего изучения влияния сейсмических колебаний на физико-механические свойства снега и образование лавин изготовлен вибростенд, моделирующий сейсмические нагрузки на снег.

Реализация работы. Методики оценки устойчивости снега на склоне использованы при разработке программного комплекса «Рабочее место прогнозиста лавин» для оценки лавинного риска, связанного с лавинами, вызванными сейсмическими событиями.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Российских и международных симпозиумах, конференциях и совещаниях: ISSW-2000 в Big Sky (США, 2000 г.) — II международной конференции «Лавины и смежные вопросы» в Кировске (Россия, 2001 г.), ISSW-2002 в Penticton (Канада, 2002 г.), «INTERPRAEVENT 2002» в Matsumoto (Япония, 2002 г.), гляциологическом симпозиуме «Будущее гляциосферы в условиях меняющегося климата» в Пущине (Россия, 2002 г.), VIII международной конференции «Глубинное строение и геодинамика фенноскандии, окраинных и внутриплатформенных транзитных зон» в Петрозаводске (Россия, 2002 г.), на EGS-AGU-EUG Joint Assembley в Nice (Франция, 2003 г.), II International Workshop on snow avalanches в Чили.

2003 г.), International Symposium on snow and avalanches в Давосе (Швейцария, 2003 г.), ISSMA-2004 в Манали (Индия, 2004 г.), международной конференции «Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика» в Кировске (Россия, 2004 г.), XIII Гляциологическом симпозиуме «Сокращение гляциосферы: факты и анализ» в Санкт-Петербурге (Россия, 2004 г.).

Результаты, полученные в диссертации, нашли отражение в отчетах по грантам Avalanche Hazard in Kola (Nordic Council of Ministers, 1999;2000, 20 012 002 г. г.), РФФИ «Теоретическое и экспериментальное моделирование влияния сейсмичности на механическую устойчивость снега на склоне» № 02−05−64 569а.

Структура работы соответствует основным задачам исследования. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, и приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненной работы получены новые знания в практически неисследованной области, касающейся влияния сейсмичности на образование снежных лавин:

1) На основе совместного анализа многолетних данных о сейсмических событиях вызванных взрывами, и случаях лавинообразования в Хибинах впервые с помощью методов математической статистики показано наличие связи между этими явлениями. Связь является статистически значимой, однако, слишком слабой для непосредственного использования на практике.

Совершенствование статистической модели связанное с увеличением ее размерности, не целесообразно и вряд ли возможно из-за ограниченного объема данных о сошедших лавинах и сейсмических событиях. Перспективным для • практических целей является использование физически обоснованных моделей, однако, для их использования требуется знание количественных характеристик снежного покрова и сейсмичности.

2) На основе измерений получены данные об ускорениях, скоростях и смещениях подстилающей поверхности, вызванных взрывами, включающие в себя, их амплитудно-временное и амплитудно-частотное представления. Получены зависимости ускорений подстилающей поверхности от массы заряда и расстояния от места взрыва. Ряд сейсмических измерений проведен непосредственно в лавиносборах. Показано, что с увеличением расстояния до места взрыва величина сейсмического ускорения быстро уменьшаются, а в его спектре исчезают высокие частоты, на которые приходится основная часть энергии. Как показали измерения, исчезает высокочастотная составляющая ускорения при передаче сейсмического воздействия в слое снега. Значения ускорений на поверхности снега меньше, чем на скале, что связано с поглощением энергии колебаний, главным образом, в высокочастотной части спектра в снежном покрове.

3) Рассмотрены различные механизмы нарушения механической устойчивости снега на склоне под действием вибрации подстилающей поверхности. В качестве физической модели снежной доски использована модель твердого блока на наклонной плоскости, удерживаемого силами трения и сцепления. Предложены две концепции учета влияния сейсмичности статическая и динамическая. В статической модели учитываются лишь величины сейсмической нагрузки, но не принимается во внимание длительность ее воздействия. В более сложной динамической модели используется подход Ньюмарка, который предполагает, что обвал не сформируется, пока не появится некоторая внутренняя деформация толщи, превышающая критическую величину.

4) В связи с большой неопределенностью в исходных данных, обусловленной пространственной изменчивостью лавинообразующих факторов, наиболее целесообразной является вероятностная интерпретация.

• устойчивости, когда в ответе об устойчивости содержится информация о возможной ошибке диагностики. Использование статистического моделирования позволяет оценить пространственный эффект сейсмического воздействия на устойчивость снега в вероятностной форме. Разработаны оба варианта вероятностного моделирования как для статической, так и для динамической моделей.

5) Численные вероятностные модели устойчивости снега на склоне являются универсальными в том смысле, что позволяют учесть особенности физико-механических характеристик снега и сейсмических факторов в различных географических районах.

6) Для прогнозирования неустойчивых состояний снега и образования лавин с учетом сейсмического эффекта для районов со слабо развитой измерительной сетью предложена схема, включающая использование методик определения характеристик снега по данным стандартных метеорологических наблюдений с использованием модели развития снежной толщи. Один из вариантов этой схемы реализован с помощью швейцарской модели «Snowpack».

7) Разработанные модели уже в существующем виде могут быть использованы для сравнительной оценки влияния сейсмического эффекта при различных схемах подрыва взрывчатых веществ в целях предупредительного спуска лавин, когда различаются массы зарядов, их размещение и интервалы между взрывами (замедление) и различных сценариях естественных землетрясений.

8) Допуская, что в природе возможны и другие механизмы нарушения устойчивости снега на склоне при сейсмическом воздействии, в дальнейшем планируется детально рассмотреть вопрос об изменении физико-механических свойств снега под воздействием вибрационных нагрузок, сходных с сейсмическими нагрузками, вызываемых природными и техногенными землетрясениями и взрывами. Для этих целей автором была разработана и изготовлена специализированная установка для имитации сейсмических колебаний в лабораторных условиях и методика проведения экспериментов. Получены первые результаты измерений.