CC BY
724
ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ДВИЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ: СОСТОЯНИЕ, ВОЗМОЖНОСТИ, ПЕРСПЕКТИВА
Харьес Каюмович Ямбаев
ГОУ ВПО «Московский государственный университет геодезии и картографии», г. Москва Виктор Романович Ященко
ФГУП «Картосоставительское производственное объединение «Картография», г. Москва
Рассматриваются вопросы организации геодезического мониторинга земной коры в регионах с высокой тектонической и сейсмической активностью, которые должны приниматься во внимание при изысканиях, проектировании и строительстве крупных инженерных, транспортных и других уникальных сооружений, а также для принятия мер обеспечения безопасности жизнедеятельности населения.
Ключевые слова: геодезический мониторинг, геодинамический полигон, движения земной коры.
GEODETIC MONITORING OF CRUST MOVEMENTS: STATE, OPPORTUNITIES, PROSPECTS
Kharyes K. Yambayev
Moscow State University of Geodesy and Cartography, Moscow Victor R. Yashchenko
Map-making production association “Cartography”, Moscow
The paper presents the problems of the crust movement geodetic monitoring in the regions of high tectonic and seismic activities. These features should be taken into account when surveying, designing and building major engineering, transport and other unique structures, as well as for the population safety assurance.
Key words: geodetic monitoring, geodynamic testing area, crust movements.
Проектирование, строительство и эксплуатация таких крупных сооружений, как атомные электростанции (АЭС), гидроэлектростанции (ГЭС), ускорители заряженных частиц, магистральные нефтепроводы и т. п., эффективная и безопасная эксплуатация которых критична к планово-высотным деформациям основания и стабильности пространственного положения технологического оборудования требуют соответствующего выбора промышленных площадок в геологическом отношении и проведения инструментального геодезического мониторинга движений земной коры выбранной территории на всех стадиях жизненного цикла таких сложных сооружений вплоть до периодических наблюдений за положением оборудования в процессе эксплуатации.
В свое время на территории СССР была создана сеть (около 50) геодинамических полигонов (ГДП) [5], на которых проводились повторные высокоточные планово-высотные измерения в течение более чем 30 лет. Анализ результатов выполненных повторных нивелировок по программе I класса позволил в 1969 г. создать карту современных вертикальных движений земной коры территории СССР, стран Восточной Европы и Монголии. К сожалению, в настоящее время эти работы на ГДП резко сократились или вовсе не ведутся.
Особое внимание было уделено территориям проектируемых и строящихся крупных инженерных сооружений в атомной и гидроэнергетике. Ниже приведены некоторые результаты геодезического мониторинга территорий строительства Крымской АЭС, Рогунского каскада ГЭС и ИнгуриГЭС по доступным авторам материалам повторных геодезических измерений. Данные инженерные сооружения были спроектированы и строились в сейсмоактивных регионах, поэтому геодинамическому мониторингу уделялось особое внимание. Результаты такого мониторинга оказались весомыми при принятии ответственных правительственных решений. Особо важное значение итоги геодезического и геофизического мониторинга имели для крупной Крымской АЭС.
Строительство Крымской АЭС было запланировано еще в 1968 г., тогда же проводились первые геологические и геодезические исследования. Станция должна была обеспечить электроэнергией весь Крымский полуостров, а также создать задел для развития промышленности региона. (Проектная мощность Крымской АЭС 2000 МВт (два энергоблока) с возможностью последующего наращивания до 4000 МВт.) После строительства города-спутника Щелкино, насыпи водохранилища и вспомогательных хозяйств с 1982 г. началось возведение непосредственно самой станции. В целом стройка шла по графику с запланированным пуском первого реактора в 1989 г. Рядом была построена солнечная электростанция. Возле нее на восточной части Акташского водохранилища расположена также экспериментальная ветровая электростанция, состоящая из 15 ветроагрегатов мощностью по 100 КВт каждый. Все эти установки предназначались для обеспечения строительства и жизнедеятельности г. Щелкино.
Известно, что полуостров Крым является сейсмоопасным регионом. По данным Г. П. Горшкова [2] на его территории ежегодно в среднем происходят до 50 землетрясений, но в основном слабых и средних (магнитудой 1-3). Однако в 1927 г. произошло катастрофическое землетрясение. Большое число зданий и строений было повреждено, 16 человек погибли, около 70 ранено. За главными толчками последовал целый ряд повторных, их общее число в течение двух лет достигла 650. Данное землетрясение отличалось обширностью - его территория охватила до одного млн кв. км, в некоторых местах магнитуда землетрясения доходила до 7 и даже до 8. К моменту начала строительства Крымской АЭС высказывалось мнение, что через территорию строящейся промышленной площадки АЭС проходит тектонический разлом. Ставился даже вопрос о переносе промышленной площадки в другое место.
В 1983 г. правительство поручило Главному управлению геодезии и картографии при Совете Министров СССР (ГУГК при СМ СССР) организовать геодезический мониторинг движений земной коры промышленной площадки Крымской АЭС и прилегающей территории. В это время грандиозная стройка стала набирать запланированный по графику ход.
Была спроектирована и в 1983 г. заложена высокоточная геодезическая сеть по программе, точности и технологии повторного нивелирования I класса с включением существующих в данном районе грунтовых реперов государственной нивелирной сети I и II классов. По северной окраине площадки были заново заложены путем бурения четыре фундаментальных репера глубиной 15 м: п. п. А, Б, В, Г (рис. 1); еще девять реперов 1-9 (см. рис. 1) на глубину 6 м заложили свайным методом. Остальные грунтовые реперы обустроены котлованным методом на глубину 2,5 м в соответствии с действующей тогда «Инструкцией по нивелированию I, II, III и IV классов».
В нивелирную деформационную сеть Крымской АЭС были включены пьезометрические скважины, расположенные равномерно по всей территории строительной площадки. Созданная таким образом высотная геодинамическая сеть включала шесть замкнутых полигонов. Повторные измерения выполнялись в течение ряда лет (с 1984 по 1988 гг.).
При обработке результатов повторных нивелировок за исходный был принят грунтовый репер № 5626 как наиболее устойчивый по результатам повторных нивелировок в течение нескольких предыдущих десятилетий. Этот репер расположен в западной части строительной площадки и входит в число первоклассных пунктов государственной нивелирной сети страны. В течение 1984-1986 гг. было выполнено шесть циклов нивелирования по программе I класса, т. е. по два цикла измерений в год. В 1988 г. был выполнен последний седьмой цикл нивелирования, включивший сохранившиеся реперы и пьезометрические скважины.
Отметим, что закладка всех вышеназванных глубинных и грунтовых реперов была осуществлена в 1983 г., т. е. за год до начала первого цикла повторных нивелировок.
После математической обработки результатов измерений по всем шести полигонам были вычислены разности окончательных превышений Ак = к -где к - превышение между двумя принятыми для анализа деформаций земной коры грунтовыми реперами в данном /-ом цикле измерений; к1 - превышение между этими же реперами в пером цикле измерений (1984 г.) (рис. 2).
Как следует из рис. 2 в северной части строительной площадки наблюдается подъем верхнего слоя земной коры до 10 мм за 2,5-3 года; южная часть строительной площадки за это же время опустилась на 35 мм. Это навело на мысль, что бытующее в то время мнение о тектоническом разломе, проходящем через территорию строительной площадки, имеет основание.
Такой характер деформаций земной коры с переменой знака и значительной амплитудой (до 45 мм) не мог остаться без внимания. (Как известно на Кавказе в зоне Спитака происходило подобное же движение земной
коры. Катастрофическое землетрясение 1988 г. стало трагедией не только нашей страны, но и всего мира.)
На основании приведенных результатов геодезического мониторинга составлена картограмма скоростей вертикальных движений земной коры промышленной площадки Крымской АЭС (рис. 3). Изолинии на картограмме проведены сечением 1 мм/год. Анализ картограммы подтвердил вывод о характере движений земной коры. Это и вызвало у специалистов определенное опасение, доведенное до руководства СССР. Заместитель Председателя Совета Министров СССР академик Г. И. Марчук внес предложение в Правительство о приостановлении строительства Крымской АЭС.
V. 5- М°“,Р « ДСЯ>0Л*р«ОД>ч«Сп(*
^ мо»пвм*м1* сиорос» вврч>яа«шо«о ««-«•■" ралара
_ а/9 «о^ар-од-часа. ов(м><< ^ ? РИС. 3
33 "оро.нопа<,«од«,Ск» о-1*"-*-» гр«А-а..оа сноросе- карта СКОрОСТеЙ СОВрСМСННЫХ
вертикальных движении земной коры
В этот же по времени период произошла катастрофа на Чернобыльской АЭС. Предложение академика Г. И. Марчука о приостановлении строительства Крымской АЭС, чернобыльская трагедия, резко ухудшившаяся экономическая ситуация и некоторые другие причины привели к тому, что строительство Крымской АЭС было приостановлено. Стройка сначала была законсервирована, в последние 20 лет практически прекращена, а в настоящее время практически опустошена.
В Таджикистане, в одном из ущелий Памира, на р. Вахш строится Рогунская ГЭС. Рогунская ГЭС входит в состав Вахшского каскада, являясь его верхней ступенью, и представляет собой ГЭС приплотинного типа с высотной (335 мм) каменно-набросной плотиной (рис. 4). Проектная мощность составляет 3600 МВт. Подземное здание ГЭС включает машинный зал (длина 220 м; ширина 22 м; максимальная высота 78 м) и трансформаторный зал (длина 200 м; ширина 20 м; высота 40 м).
Комплекс ГЭС расположен в зоне высокой сейсмоактивности, оползневых и селевых процессов. Под основанием плотины проходит Ионахшский тектонический разлом, заполненный каменной солью. Однако по проекту ее конструкция сейсмоустойчива, а для защиты отложений каменной соли от разрыва запланированы специальные мероприятия.
После заполнения водохранилища на плотине появились трещины. ГУГК при СМ СССР было предложено организовать геодезический мониторинг движений земной коры в районе ГЭС. В 1975 г. был заложен ГДП Рогунской ГЭС. Для этого была создана линейно-угловая геодезическая сеть: заложены грунтовые и скальные реперы и марки. Высотная сеть создана по программе высокоточного нивелирования I класса. Кроме того, параллельно проводились аэрофото- и космическая съемки с высокой разрешающей способностью.
Рис. 4
комплекс сооружений Рогунской ГЭС
По результатам повторных измерений выявлены горизонтальные смещения пунктов ГПД, наибольшая величина которых зафиксирована на сторонах триангуляции, расположенных в непосредственной близости от плотины.
По результатам повторных нивелировок один из пунктов (репер 5740) за 13 лет (1976-1989гг.) опустился практически на 50 мм.
Стереофотограмметрические измерения, выполненные по материалам повторных крупномасштабных аэрофотосъемок, и анализ спектрозональных космических съемок подтвердили отмеченные планово-высотные деформации земной коры.
Результаты геодезических и аэрокосмических исследований были представлены Правительству Таджикистана. Первый заместитель Председателя Совета Министров Таджикской ССР Г. Ф. Кашлаков приостановил строительство каскада ГЭС на р. Вахш. Была создана представительная комиссия для организации комплексных исследований ущелья р. Вахш, что позволило оптимизировать местоположение и конструкцию каждой плотины каскада ГЭС.
После распада СССР строительство ГЭС было законсервировано. В 2004 г. было подписано соглашение между Правительством Таджикистана и компанией «Русал» о достройке ГЭС. Пуск первой очереди в составе двух гидроагрегатов мощностью 400 МВт планируется на конец 2012 г.
На Кавказе, в 30 км от побережья Черного моря, на р. Ингури возведена ИнгуриГЭС с высотной арочной плотиной (рис. 5).
Рис. 5 плотина Ингури ГЭС
Плотина и сооружения ИнгуриГЭС располагаются в зоне высокой тектонической активности [1]. В течение многих лет наблюдаются вертикальные движения земной коры - подъем поверхности земли в том числе на участке промышленной площадки ГЭС. Поэтому было принято решение о создании ГДП ИнгуриГЭС. До заполнения водохранилища в 1978 г. на ГДП
были проведены первые геодезические работы и выполнен первый цикл высокоточного нивелирования. Через год проведены линейно-угловые измерения по пунктам микротриангуляции ГДП с целью исследования возможных горизонтальных деформаций. В 1986 г. был закончен шестой цикл планово-высотного геодезического мониторинга движений земной коры. Анализ результатов повторных шести циклов геодезических измерений показал, что горизонтальных деформаций, опасных для функционирования высотной плотины и других сооружений Ингури ГЭС, нет.
Однако по результатам повторных высокоточных нивелировок выявлены значительные вертикальные деформации блокового характера, достигающие 40 мм в зоне Гагро-Мухурского разлома [4].
Наибольшее проседание земной поверхности произошло в 1979 г. во время землетрясений средней активности.
Выполненные геодезические работы на ГДП ИнгуриГЭС позволили составить картограмму локальных движений земной коры и выявить наиболее устойчивые зоны берегов для последующего строительства каскада плотин ГЭС на р. Ингури.
В заключение следует еще раз отметить важность проведения геодезического мониторинга движений земной коры в зоне строительства крупных инженерных сооружений промышленного, энергетического, спортивно-зрелищного и т. п. назначения, что особенно относится к регионам с высокой тектонической и сейсмической активностью. При этом результаты геодезического мониторинга должны учитываться не только при изысканиях (выбор месторасположения возводимых объектов), но и при проектировании, строительстве и эксплуатации таких сооружений [3]. Тем более, что современная технология геодезических измерений настолько совершенна, что позволит организовать практически непрерывный геодинамический мониторинг в реальном масштабе времени. Особенно перспективные возможности предоставляют ГЛОНАСС/GPS-технологии, следящие системы на базе компьютизированных и моторизованных электронных тахеометров и цифровых нивелиров, лазерных трекеров и т. д.
Современные средства оперативной связи, компьютерной обработки большого массива данных и их интерпретации позволяют весь комплекс геодезических, геофизических, гравиметрических и других данных автоматически передавать в единый аналитический цент для оперативного принятия решений и разработки мероприятий по уменьшению риска и последствий от опасных явлений природного и техногенного характера.
Рассмотрим некоторые результаты повторных нивелировок с целью определения вертикальных движений земной коры на примере территории Юга Российской федерации.
Исторически нивелирная сеть территории юга Российской Федерации начала развиваться в 90-х годах XIX столетия. В это время Корпусом военных топографов было выполнено геометрическое нивелирование по трассе Тихорецк-Краснодар-Крымская-Тоннельная. До настоящего времени сохранились отдельные стенные марки, заложенные в ж/д постройки, что даёт
возможность определить значение СВДЗК за вековой период с 1895 по 1990 гг., а также за промежуточные интервалы времени. Дальнейшее развитие трасс нивелировок было продолжено в 20-х и 30-х годах прошлого столетия. В этот же период в этом регионе было выполнено нивелирование по трассе, измеренной в 1895 г., что уже в 30-х годах позволило получить достоверную информацию о вертикальных движениях земной коры.
К настоящему времени на территории сформировалась сеть трасс нивелирования (рис. 6). Все линии имеют минимум двукратное нивелирование. Многие нивелировки повторялись от 3 до 5 раз в течении столетия. Сеть повторного нивелирования в разные годы была привязана к рабочим реперам уровенных постов Чёрного и Азовского морей. При составлении карт вертикальных движений земной коры на данную территорию это позволило использовать абсолютные значения скоростей движения реперов и уровенных постов по многолетним уровнемерным данным.
Рис. 6. Сеть трасс нивелирования на территории Предкавказья
Сопоставление результатов повторного нивелирования позволило составить карту современных вертикальных движений земной коры (СВДЗК), вначале на локальные участки, а затем и на всю территорию южного региона России — Предкавказья, а в последующем (1989 г.) и всей страны. В связи с наращиванием мощностей индустриального строительства информация о движениях земной коры приобретает практический интерес особенно при проектировании и строительстве магистральных трубопроводов, ГЭС, тоннелей, атомных установок и других уникальных инженерных сооружений.
В 1960 г. была создана постоянная международная Комиссия по современным движениям земной коры, входящая в состав Международного
геодезического и геофизического союза (МГГС). В 1961 г. Советский геофизический комитет провел первую всесоюзную конференцию по проблеме современных движений земной коры. Выступая на этой конференции М.И. Синягина с докладом «О геодезическом методе изучения современных движений земной коры и результатах его применения» сказала: «Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии занимается изучением современных вертикальных движений земной коры по данным повторного нивелирования. Предварительные фрагменты карты скоростей вертикальных движений земной коры в мм/год на территории СССР опубликована. Вследствие этого важно остановиться на некоторых принципиальных вопросах создания карт скорости современных движений. Эти вопросы приобретают особое значение в связи с включением работ по изучению современных вертикальных движений в деятельности Международного геодезического и геофизического союза» [6]. М.И. Синягина опровергла метод создания карт современных вертикальных движений земной коры по материалам однократного повторного нивелирования, поддержав метод исследования движений земной коры, проделанный А.А. Изотовым, по многократным повторным нивелировкам западного побережья Каспийского моря, а также исследования современных тектонических движений в северном Предкавказье, выполненные В.Г. Левинсоном и Ю.С. Мещеряковым [6].
На регион Юга России по результатам повторных нивелировок создано несколько вариантов карт СВДЗК [7-9], которые в последующем уточнялись. Последняя карта издана Главным управлением геодезии и картографии в 1989 г. на всю территорию СССР в масштабе 1:5 000 000 [5]. На всех картах СВДЗК, составленных в предыдущие годы, Ставропольское плато испытывает подъём земной поверхности; в слабые поднятии втянуты платформенные равнины между Ростовским выступом и Ставропольским плато. На их фоне заметное опускание земной поверхности происходит в зоне Тихорецкой впадины.
На карте СВДЗК (рис. 7) регион находится в более или менее спокойном состоянии. На фоне медленных движений с небольшими скоростями выделяется локальное «пятно» с центром в г. Ставрополь. Город с юга окружён подковообразной Ставропольской возвышенностью с отметками до 800 м, застроенная часть города расположена в долине, где происходит подъём земной поверхности со скоростью +8,3 мм/год. Для этого региона, где отсутствуют большие горные перепады, такие высокие скорости интенсивной направленности не характерны и вызывают озабоченность в сейсмотектоническом отношении.
Для районов Минеральных вод, Ставрополя, Краснодара, Новороссийска имеется большой материал повторных нивелировок в течение более чем векового периода времени. Эти материалы и карта СВДЗК позволяют обосновать местоположение индустриального строительства уникальных сооружений, трасс магистральных трубопроводов, плотин, мостов и др. По каждой нивелирной трассе имеются ведомости превышений и графики скоростей современных вертикальных движений земной коры, которые детально, километр за километром, характеризуют численно и графически
наглядно результаты повторных геодезических измерений. Эти материалы позволяют уточнить вероятность деформационных процессов.
Таким образом, повторные геодезические наблюдения дают возможность отразить геодинамические процессы в виде конкретных таблиц, графиков, провести корреляцию с геолого-геофизическими, неотектоническими и другими данными с целью:
- Обеспечения проектировщиков и строителей крупных инженерных сооружений количественными данными о движениях земной коры;
- Установления характера современной геодинамики, что способствует обнаружению параметров предвестников землетрясений;
- Определения закономерностей СВДЗК;
- Уточнения границ контуров тектонических структур;
- Установления унаследованности СВДЗК, особенно в береговой полосе Черноморского побережья;
- Сокращения интервалов повторных нивелировок до 5 лет в сейсмоактивных регионах.
Рис. 7. Фрагмент карты СВДЗК
2 октября 1971 г. произошло восьмибалльное Ставропольское землетрясение. Следует отметить, что в районе Ставропольского плато выполнено значительное количество повторных геодезических измерений. К недостатку следует отнести большие промежутки времени между повторными измерениями. Так трасса Ставрополь-Светлоград-Будённовск (рис. 8) выполнена в 1947 г. по программе II класса и только через 25 лет т.е. в 1972 г., высокоточное нивелирование было повторено. По трассе Тихорецк-Армавир-Ставрополь нивелирный ход по программе II класса выполнен в 1946 г., а повторен уже первоклассным нивелированием только в 1974 г. Нивелирование II класса по трассе Ставрополь-Элиста выполнено в 1947 г. и в 1972 г. В этот промежуток времени произошли также Невинномысское землетрясение (25 декабря 1963 г.) силой в 7 баллов и Владимирское — семибалльное (23 ноября 1947 г.).
Анализ результатов повторных нивелировок показывает, что в этот двадцатипятилетний период происходили интенсивные перепады в движениях земной коры.
Нивелирная трасса Светлоград-Будённовск первоначально была осуществлена в 1928-1931 гг., повторные измерения были выполнены летом 1947 г., а 23 ноября 1947 г. произошло землетрясение силой 7 баллов с эпицентром между населёнными пунктами Рогатая Балка и Благодарный. На графике (рис.9, а) видно, что возрастание напряжённости в земной коре замечено повторным нивелированием, локальный подъём зафиксирован именно в этом месте.
Нивелирная трасса II класса Невинномысск-Минеральные воды выполнена в 1945-1946 гг., затем в 1974 г. повторно было занивелировано 18 геодезических центров по программе I класса. В промежутке между этими геодезическими измерениями произошло семибалльное Невинномысское землетрясение 25 декабря 1963 г. Эпицентр находился севернее нивелирной
трассы, между железнодорожными станциями Дворцовый и Водораздел, севернее Красного водохранилища. На рис.9, б графически изображен характер движений земной поверхности, где четко прослеживается вспучивание (подъём) на участке землетрясения.
Нивелирная трасса Армавир-Ставрополь-Светлоград длиной 206 км была выполнена в 1947 г., затем в 1972-1973 г.г., а 2 октября 1971 г. произошло восьмибалльное землетрясение. При нивелировании в 1972 г. секцию Надежда-Ставромарьевка-Грачевка переделывали несколько раз, из-за недопустимых невязок, измерительные работы затянулись до зимы, пришлось в 1973 г. возобновить полевые работы. Геолого-геоморфологические обследования подтвердили, что после землетрясения 1971 г. происходило резкое опускание земной поверхности — это обстоятельство отчетливо видно на графике (рис.9, в) в районе станции Грачёвка.
А мм/год
в
Рис.9. Графики скоростей по результатам повторных нивелировок в зонах землетрясений:
а— Светлоград-Буденновск; б— 11евиномысск-\1инеральные воды; в — Армавир-Светлоград
Регион Предкавказья долгие годы находился под пристальным наблюдением учёных, которые разрабатывали проект по переброске водных потоков из Черного и Азовского в Каспийское море.
По результатам повторных нивелировок, выполненных в 1935 г., всё побережье от Новороссийска, начиная с 1882 г. на постах, Чёрного моря также указывали на опускание всей прибрежной полосы Чёрного моря. В последующих нивелирных измерениях (1949-1950) от Новороссийска до Архипо-Осиповки процесс опускания земной поверхности сохранился, а от Архипо-Осиповки до Поти направленность движения земной коры изменилось, началось медленное поднятие, мы увязываем такую перемену в знаках движения с происшедшими землетрясениями в 1936-1937гг., которые высокой балльностью изменили степень напряжённости в земной мантии, дальше от Поти до Батуми скорость опускания земной коры сохранилась.
При проектировании и строительстве грандиозных транспортных магистралей и сооружений в этом регионе необходимо проделать повторные нивелировки, особенно по побережью Чёрного моря.
По результатам повторных нивелировок возможно выявить детальную картину характера изменения скоростей вертикальных движений в том или ином регионе.
Созданная в конце восьмидесятых годов XX в. карта СВДЗК в определённой степени отражает происходящие процессы в земной мантии, но для статистической связи деформаций с характером сейсмического режима необходимо продолжать эти исследования путём повторных нивелировок по всем первоначально проложенным трассам. К сожалению, в последние 25 лет инструментальный геодезический мониторинг движений земной коры практически прекратился.
Инструментальный геодезический мониторинг движений земной коры в очагах землетрясений выявляет закономерность изгибаний земной поверхности до и после землетрясений.
Результаты повторных нивелировок неоспоримо свидетельствуют о тесной корреляционной связи между движениями земной коры и сейсмоактивностью той или иной зоны возникновения очага землетрясений.
Развитие современных спутниковых технологий координатных определений на основе GPS/ГЛОНАСС-измерений коренным образом изменяют принцип построения геодезических сетей на геодинамических полигонах с целью изучения деформаций земной коры. Эти изменения в основном сводятся к следующему:
- По результатам измерений на каждом пункте с высокой точностью определяются все три координаты, т.е. пространственное положение геодезического пункта;
- Возможна реализация непрерывных наблюдений и передачи информации в единый центр данных в масштабе реального времени (мониторинг), тем самым осуществляется регистрация деформации и оперативный контроль их критической величины;
- Анализ результатов непрерывных GPS-измерений (как индикаторов динамики деформаций) является основой для регламентации частоты (цикличности) более подробных деформационных измерений повторными высокоточными нивелировками или GPS/ГЛОНАСС-измерениями;
- Высокая степень свободы выбора местоположения пункта (возможность расположения непосредственно в ослабленных зонах по линии разлома и в то же время легко доступного);
- Возможность высокоточного определения взаимного положения точек физической поверхности Земли, удаленных друг от друга на значительные расстояния.
Таким образом, по результатам непрерывных GPS-измерений определяются количественные характеристики деформаций земной коры в местах наиболее активных разломов (ослабленных зон); по результатам GPS-измерений, как деформационных индикаторов, определяется необходимость, точность и цикличность повторных нивелировок, устанавливается специальная геофизическая аппаратура: деформографы, наклометры и др.
В результате может быть создана практически автоматизированная система геодинамического мониторинга деформационных процессов, в том числе и регистрации величин деформаций в масштабе реального времени (рис. 10).
Сеть постоянно действующих пунктов вРБ/ГЛОНАСС наблюдений Геофизическая аппаратура. Пункты непрерывной регистрации деформаций и сейсмических данных
Сеть контрольных реперных Диспетчерский контрольный
точек (2-4 цикла в год и по центр
мере необходимости) ►
Аналитический центр геодинамических исследований
Рис. 10. Структура системы деформационного мониторинга
Эти новые возможности современных спутниковых геодезических технологий при изучении деформаций земной коры, дают следующие преимущества по сравнению с традиционными методами геодезии на геодинамических полигонах.
1. При традиционных методах геодезических измерений на каждом из подобных геодинамических полигонов Роскартографии развивалась сеть из 2030 пунктов триангуляции, расположенных, как правило, на вершинах гор или других труднодоступных местах. Эти условия расположения пунктов приводили к большим сложностям организационного характера и значительным экономическим затратам. Одновременно развивалась сеть нивелирных пунктов, как правило, вдоль дорог или по долинам рек. Это приводило к тому, что сеть триангуляции и нивелирная сеть развивались независимо друг от друга, что затрудняет последующий анализ деформаций. Стоимость только одного цикла измерений с последующей обработкой на таком полигоне составляет порядка 25 млн руб.
2. При использовании классической (традиционной) схемы геодинамических работ организация повторных измерений на каждом полигоне возможна на интервале в лучшем случае в 1^5 лет. Тем более, что проведение одновременно измерений по всем пунктам полигона практически невозможна. Поэтому вероятность уловить момент активизации деформационных процессов очень мала, а изучение же процесса подготовки возможных землетрясений практически нереально.
3. Построение непрерывного мониторинга деформационных процессов, основанного на применении современных спутниковых технологий, вовсе не означает отказ от использования уже накопленного информационного потенциала на основе традиционных геодезических методов. Все эти данные изучаются и используются при создании новых геодезических построений. Мало того, при создании спутниковой системы контрольных точек могут быть максимально использованы геодезические пункты (главным образом нивелирные репера), уже созданные Роскартографией на той или иной территории. Метод повторного нивелирования был и остается наиболее точным, а следовательно, наиболее объективным методом изучения вертикальных движений земной коры. Однако при этой технологии создания геодинамического полигона предполагается выполнение работ по повторному нивелированию только с той цикличностью и на тех локальных участках, где по данным непрерывного GPS-мониторинга отмечают наиболее активные деформационные процессы.
В настоящее время одной из задач по безопасности функционирования инфраструктуры сооружений гражданского и промышленного назначения является регистрация собственно деформаций и контроль их допустимых величин в масштабе реального времени. Разрушительные землетрясения происходят не так часто, а собственно процесс деформаций земной коры — это постоянный непрерывный процесс и их величины в районах тектонических разломов могут вывести из строя инженерные сооружения и помимо землетрясений.
Центральным узлом всего комплекса непрерывного мониторинга будет являться сеть из пунктов постоянных GPS/ГЛОНАСС-наблюдений за деформациями, расположенных, как правило, в районе населенных пунктов, на
железнодорожных станциях, порталов тоннелей, мостов и т.п. На этих постоянно действующих пунктах GPS/ГЛОНАСС-наблюдений будут установлены спутниковые приемники для непрерывной регистрации практически с любыми интервалами. Данные наблюдений в масштабе реального времени будут передаваться в единый диспетчерский контрольный центр. В этом центре в автоматизированном режиме на основе специализированного программного обеспечения будут регистрироваться величины деформаций (изменения координат во времени по четырем составляющим X, Y, Ъ и HG). Эти величины в виде непрерывных графиков во времени будут являться текущим контрольным отсчетным материалом диспетчерско-аналитического центра. На специализированном сайте центра будут помещаться сами результаты GPS/ГЛОНАСС-измерений. Это позволит в режиме постобработки выполнить высокоточные определения координат для обеспечения многих других задач -кадастра, геодезического обеспечения строительства, топосъемок и т.п. различными организациями организациями.
Файлы с измерениями на GPS-пунктах передаются с компьютеров на центральный сервер, установленный в диспетчерском центре по запросам, генерируемым ежесуточно в автоматическом режиме. На центральном сервере осуществляется фильтрация и первичная архивация данных, поступающих со станций, а затем предварительная обработка с помощью специализированного программного обеспечения (GAMIT/GLOBK) массива данных по всему данному региону.
В настоящее время все шире развиваются региональные спутниковые координатно-навигационные системы хозяйственного назначения для обеспечения крупномасштабных топографических съемок, для решения задач землепользования (кадастров различного назначения, разбивочных работ и исполнительных съемок в строительстве, навигации и т.п.). Как правило, такие референц-системы представляют собой совокупность значительного количества постоянно действующих ГЛОНАСС/GPS геодезических пунктов.
При надлежащем расположении и закреплении пунктов референц-сетей в городах и на территориях регионов, при введении в их компьютернотелекоммуникационную систему блока деформационного мониторинга и некоторых других доступных по стоимости обременений такие региональные референц-системы (РРС) также могут быть одним из реальных путей геодинамического мониторинга, особенно в сейсмоактивных регионах.
Таким образом, при надлежащем отношении органов государственной власти регион может получить возможность организации геодинамического мониторинга с минимальными финансовыми вложениями. Разработку такого геодинамического блока, обязательного в составе региональной референц-системы, возможно осуществить на примере действующей РРС, новосибирской области, созданной благодаря эффективной работе СГГА этом направлении.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Абашидзе В. Г., Блуашвили И. М., Жаринов Н. А., Шенгелая Э. Г. Изучение вертикальных смещений земной поверхности с помощью гидростатических наклономеров в районе строительства плотины ИнгуриГЭС / Сб. тр. конф. по СДЗК. - Киев, 1980. - С. 98102.
2. Горшков Г. П. Землетрясения на территории Советского Союза. - М.: Госиздат, 1949. - 120 с.
3. Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. - М.: Мир, 1967. - 390 с.
4. Ященко В. Р., Ямбаев Х. К. Геодезия и извечные тайны движения земной коры // Геопрофи. - 2006. - № 4. - С. 61-66.
5. Ященко В. Р., Ямбаев Х. К. Геодезический мониторинг движений земной коры. -М.: изд- во МИИГАиК, 2007. - 208 с.
6. Синягина М.И. О геодезическом методе изучения современных движений земной коры и результатах его применения: Сборник СДЗК. -М.: 1963. -№1. -С. 25-32.
7. Думитрашко Н.В., Лилиенберг Д.А., Муратов В.М. Особенности современных тектонических движений Кавказа: Сборник СДЗК. -М.: 1968. -№3. -С. 265-281.
8. Лилиенберг ДА. Общие и региональные закономерности современной геодинамики Кавказа (по геоморфологическим и инструментальным данным): Сборник СДЗК. - Киев: Наукова думка, 1980. -С. 204-217.
9. Матцкова В.А. Карта скоростей современных вертикальных движений земной коры Кавказа и юго-востока Приазовья: Сборник СДЗК. -М.: 1968. -№3. -С. 244-264.
10. Карта современных вертикальных движений земной коры по геодезическим данным на территорию СССР. Масштаб 1:5 000 000. - М.: ГУГК. 1989.
© Х.К. Ямбаев, В.Р. Ященко, 2012
