CC BY
64
УДК 551.24, 531.396
О совершенствовании способов прогноза землетрясений средствами физического моделирования в ледовом покрове Байкала
Н.Л. Добрецов, В.В. Ружич1, С.Г. Псахье2, Е.Н. Черных1, Е.В. Шилько2,
Е.А. Левина1, Е.И. Пономарева1
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия 1 Институт земной коры СО РАН, Иркутск, 664033, Россия 2 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Основной трудностью в решении такой актуальной задачи прогноза тектонических землетрясений, как средства борьбы с ними, до настоящего времени остается недостаточная информированность специалистов о режиме сейсмотектонических процессов в литосфере и верхней мантии при подготовке сильных землетрясений. Во многом это связано с недостаточной технической оснащенностью исследователей. К числу проблем также относится отсутствие адекватных моделей подготовки очагов землетрясений на разных ее стадиях, что тормозит разработку методов сейсмопрогноза. В представленной работе с позиций физической мезомеханики обсуждаются результаты многолетнего изучения режимов деформирования и деструкции ледяного покрова Байкала, в котором при определенных сочетаниях метеогенных факторов (ветер, температурные вариации, осадки, подводные течения и др.), инициирующих деформации, возникают многокилометровые становые трещины. Спонтанное их разрастание нередко сопровождается сейсмическими явлениями в виде ледовых ударов, сила которых достигает значений Emax = = 104-107 Дж. Их возникновение имеет близкое подобие происхождению горных ударов средней силы или слабых землетрясений. Установлено, что перед ледовым ударом, как и перед землетрясением, на фоне ускоренного крипа в разрывах и возрастания сейсмоакустической активности определяются форшоки, фаза сейсмического затишья длительностью в десятки минут, афтершоки и другие признаки физического сходства. Полученные сведения позволяют выделить в числе базовых в прогнозе ледовых ударов два генетически взаимосвязанных критерия их подготовки: вариации режима деформаций на конвергентных границах ледяных пластин и особый режим нарастания интенсивности, появление крупных импульсов форшоков в том сегменте, где происходит подготовка динамического движения ледяных пластин. Авторы обосновывают вывод о том, что на основе более простых и понятных сценариев подготовки сильных сейсмических событий в ледяном покрове байкальской акватории возможно успешное физическое моделирование процесса подготовки тектонических землетрясений и горных ударов и совершенствование методов их прогнозирования. Рассматривается и обосновывается также возможность разработки способов более эффективного снижения сейсмического риска.
Ключевые слова: ледяной покров, становые трещины, ледовый удар, прогноз, факторы подготовки, физическое моделирование
Advance in earthquake prediction by physical simulation on the Baikal ice cover
N.L. Dobretsov, V.V. Ruzhich1, S.G. Psakhie2, E.N. Chernykh1, E.V Shilko2, E.A. Levina1 and E.I. Ponomareva1
Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia 1 Institute of the Earth Crust SB RAS, Irkutsk, 664033, Russia 2 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
The main challenge in the prediction of tectonic earthquakes and their control is still insufficient awareness of seismotectonic processes in the lithosphere and upper mantle during the preparation of strong earthquakes. This is associated in many respects with not quite appropriate equipment for researchers. Among relevant problems is also the lack of adequate models of preparation of earthquake sources at different stages, and this retards the development of earthquake predication methods. The paper discusses long-term research on deformation and destruction of the Baikal ice cover in the context of physical mesomechanics. With certain combinations of meteorological factors (wind, temperature, precipitation, undercurrents, etc.) responsible for deformation, major cracks of many kilometers arise in the Baikal ice cover. Their spontaneous growth often involves seismic phenomena as ice quakes whose energy reaches Emax = 104—107 J. The nucleation of major cracks is similar to that of rock bursts of moderate strength or weak earthquakes. It is found that ice quakes and earthquakes are both preceded by foreshocks, seismic calm for tens of minutes, aftershocks and other events against the background of accelerated creep in fractures and increased seismoacoustic activity. Research data make it possible to put forward two genetically interrelated criteria among basic factors for ice shock prediction: variations in deformation modes at convergent boundaries of ice plates and a specific intensification mode — generation of strong foreshock pulses in a segment in which ice plates are prepared for dynamic motion. We substantiate the conclusion that simpler and clearer scenarios of preparation of strong seismic events in the Baikal ice cover allow
successful physical simulation of preparation of tectonic earthquakes and rock bursts and advances in their prediction. We also consider
and substantiate the feasibility of techniques for more efficient seismic risk reduction.
Keywords: ice cover, major cracks, ice quake, prediction, preparation factors, physical simulation
© Добрецов Н.Л., Ружич В.В., Псахье С.Г., Черных Е.Н., Шилько Е.В., Левина Е.А., Пономарева Е.И., 2011
1. Введение
В работе представлен большой объем сведений, собранных в течение 7 зимних сезонов физического моделирования сейсмотектонических процессов на ледяном покрове озера Байкал, поскольку лед по реологическому поведению рассматривается как аналог массивов горных пород [1]. К числу важных особенностей механических свойств льда можно отнести его удароопас-ность в сочетании со способностью в отдельных случаях к вязкопластическим деформациям [2, 3 и др.]. В верхней части ледяные блоки при отрицательных температурах имеют хрупкие свойства, а нижняя их часть, прилегающая к поверхности водной массы, — сниженную вязкость и способность к пластическим деформациям. При таком сочетании физических параметров лед, покрывающий озеро, как очень тонкая пленка, приобретает подобие упругого и одновременно вязкопластического поведения, сходного с реологическими свойствами литосферы Земли. В ледяном покрове Байкала обнаруживается физическое подобие зон рифтогенеза, сжатия в виде зон Беньоффа или межплитных коллизий (рис. 1) [4, 5]. Выявленное подобие ледовых ударов (льдотрясений) тектоническим землетрясениям достаточно очевидно даже при визуальном изучении морфологии зон становых сейсмогенерирующих трещин, во многом напоминающих строение зон тектонических разломов. При динамическом вспарывании ледяного покрова берега быстро растущей становой трещины смещаются со скоростью 0.1—1.0 м/с, подвижка распространяется на расстояния во многие километры со скоростью многие десятки км/с, а интенсивность сейсмических сотрясений вблизи трещины достигает 3-5 баллов по шкале MSK-64.
Рис. 1. Упрощенная схема строения фрагмента ледяного покрова оз. Байкала, который в соотношении с его большими глубинами можно представлять как тончайшую квазипластичную пленку, чутко реагирующую на внешние воздействия ветров, течений, температурных вариаций, землетрясений и прочих факторов. Условные обозначения: 1 — береговые обнажения с зонами сейсмоактивных разломов; 2 — прибрежные становые трещины сжатия; 3 — зрелые становые трещины сжатия с пододвиганием (подсовом) одной льдины под другую; 4 — трещины многократного разрыва в условиях преобладающего растяжения; 5 — трещины торцового столкновения льдин со сдвиговой составляющей
В данной работе анализируется возможность изучения и физического моделирования в ледовых условиях сейсмопрогностических сценариев, во многом схожих с ситуациями прогноза тектонических землетрясений. Благоприятным фактором для прогнозирования льдо-трясений является наличие понятной и достаточно изученной информации, полученной в ходе исследования режима деформирования ледяного покрова. Это дает значительные преимущества в сравнении с ограниченными сведениями о тектонической сейсмичности, так как многие причины и условия подготовки очагов землетрясений остаются малоизвестными, неоднозначными и спорными. Подобный дефицит необходимых сведений и моделей значительно осложняет осуществление средне- и долгосрочного видов прогноза тектонических землетрясений, а прогноз краткосрочный признается недоступным.
2. Условия возникновения ледовых ударов
Как известно, в понятие «прогноз землетрясений» включаются три необходимых параметра: энергия ожидаемого землетрясения, местоположение его эпицентра и время возникновения. При изучении сейсмических источников в пределах ледяного покрова Байкала было установлено, что ими являются трещины различного иерархического уровня, возникающие при деформировании льда. Соответственно, возникает очевидный вопрос о возможности прогноза сейсмических явлений при деформировании ледовых пластин. Для ответа на него необходимо знать основные причины, под воздействием которых происходят деформации ледяных полей и их динамическое разрушение. Имеющиеся результаты исследований позволяют считать наиболее важными три следующих фактора: температура воздуха, ветер, подледные течения [6-9]. Знание этих факторов и их мониторинг создают предпосылки для реализации прогноза динамических явлений в ледяном покрове.
Можно заметить, что термин «сейсмическая погода» имеет непосредственное отношение к сейсмичности байкальского льда. Изменения ледовой обстановки на Байкале очень тесно связаны с солнечной инсоляцией, что в буквальном смысле иллюстрирует проявление солнечно-земных связей, как впрочем это проявляется и в цикличности сейсмотектонического режима, где статистически выделяются 11-летние и другие периоды активизации [10, 11]. В режиме ледовой сейсмической эмиссии также можно наблюдать проявление квазипериодичности, которая может быть использована для прогноза. Она обусловлена разнообразными метеогенными факторами, начиная от многолетних климатических изменений, влияющих в целом на условия формирования и сезонной жизни ледяного покрова: его толщину, сроки наступления ледостава, продолжительность существования ледяных полей, численность актов разрушения и таяния. Более короткие ритмы периодичности ледовых
динамических процессов связаны с флуктуациями и сочетаниями в каждом зимнем сезоне таких метеогенных проявлений, как режим нарастания толщины льда, изменения розы ветров и ветрового режима, сейшевые колебания и колебания в режиме зарегулированного стока р. Ангары, влияющие на скорости течений, особенно вблизи истока реки. Очень важная роль принадлежит режимам температурных вариаций, способным создавать условия инициации ледовых ударов. В такие зимы, как в 2010-2011 гг., когда лед покрывался толщей снега в десятки сантиметров, его теплоизолирующие свойства замедлили, а в некоторых местах полностью блокировали солнечное воздействие, трещинообразование и, соответственно, возникновение мощных ледовых ударов. Вместо этого деформирование и деструкция ледяного покрова происходили в режиме вязкопластического течения ледяных масс при проявлениях ускоренного крипа в становых трещинах. В общем итоге можно говорить о квазипериодичности ледовых ударов в очень широком диапазоне длительности ритмов изменения погодных условий: от десятков лет до суток и часов. Такие ритмы не могут быть строго выдержанными из-за многообразия вариантов взаимосочетаний и наложений. Но в целом они, несомненно, имеют место, что необходимо учитывать при прогнозировании ледовых ударов.
3. Прогноз мест возникновения ледовых ударов
На основании полученных выводов о главных при-
чинах деформирования ледяных полей Байкала появляется возможность предметно рассмотреть вопрос о ре-
альности осуществления прогноза мест возникновения будущих сильных ледовых ударов. Как очаги тектонических землетрясений формируются в зонах разломов, так и сильные ледовые удары на Байкале генетически связаны с динамическими фазами скачкообразного развития становых трещин. В данном сообщении обсуждаются условия подготовки ледовых ударов преимущественно в районе Южного Байкала. Центральный и Северный сегменты Байкала находятся в более суровых климатических условиях, процессы деструкции ледяного покрова в этих местах начинаются раньше и имеют свои отличительные черты. Это связано с морфологией берегов, особенно сложной в районе о-ва Ольхон, п-ва Святой Нос и Академического подводного хребта, где толщина льда достигает 1.0-1.5 м, а ледовые удары более сильные, но пока эта часть ледяного покрова остается малоизученной. Таким образом, в зимний период на Байкале, как по аналогии на земном шаре, проявляются локальные особенности деформирования ледяных масс, их разрушения и сейсмического режима.
Из проведенных наблюдений известно, что практически любая из становых трещин в зависимости от ее размеров и активности способна генерировать достаточно мощные сейсмические импульсы в моменты
быстрого вспарывания [12]. При быстром сильном сжатии льда до предельного уровня прочности происходит вспарывание становых трещин на протяжении нескольких километров, и этот процесс сопровождается генерацией сейсмических импульсов с энергией, достигающей уровня Е =104-107 Дж [12, 13]. Такие события сопоставимы со слабым землетрясением или опасным горным ударом средней силы. Установлено также, что в акватории Южного Байкала в течение зимнего сезона в каждой крупной становой трещине могут происходить до 3-5 актов крупноамплитудных и более мелких подвижек. Они сопровождаются эмиссией пакетов мощных сейсмических импульсов. Понятно, что на всей акватории Байкала за зимний период происходит огромное количество ледовых ударов — слабых и умеренных сейсмических актов. Поэтому задача прогнозирования места возникновения очередного сильного ледового удара является непростой и во многом сходной с теми, что возникают при прогнозе тектонических землетрясений в том или ином районе.
В данной работе акцент сделан на изучении режимов деформирования отдельных становых трещин, доступных для исследований. Установлено, что места первичного заложения становых трещин, как правило, сопряжены с крупными мысами на береговой линии, которые рассматриваются как естественные концентраторы напряжений в ледяном покрове при миграции его ледяных полей под действием ветров еще на стадии ледостава. При возникновении эпизодов вспарывания льда фиксируется торошение льдин и пододвигание ледяных пластин, т.е. подсов одной части ледяного покрова под другую на расстояние до 1-4 м за один мощный акт (рис. 2).
Рис. 2. Строение фрагмента ледяного покрова в районе мыса Кадильный по состоянию на начало марта 2011 г. Слева в виде белой изогнутой полосы видна генеральная становая трещина, начинающаяся от мыса. Стрелкой показано местоположение одного из полигонов, где проводились измерения и испытания
Кумулятивные амплитуды подобных подсовов к концу зимнего периода могут достигать 15-20 м. Выявление подобных фрагментов становых трещин указывает на места (эпицентры) более ранних ледовых ударов как на аналоги палеосейсмодислокаций после сильных тектонических землетрясений. Их, как и следы землетрясений, можно датировать путем измерения толщины взломанных льдин в торосах или в подсовах с помощью бурения. Таким образом, каждая крупная становая трещина является источником генерации ледовых ударов, т.е. потенциально сейсмоопасной. Следовательно, при прогнозировании места события следует решить вопрос о том, в каком фрагменте трещины сложится ситуация, необходимая для запуска процесса динамического вспарывания, т.е. вопрос установления места возникновения эпицентра потенциального ледового удара. Решение такой задачи возможно при рациональном размещении специальной деформометрической и сейсмоакустичес-кой аппаратуры. Необходимо, чтобы информация с мест наблюдений непрерывно поступала по радиоканалам или спутниковой связи в центр оперативной обработки и анализа складывающейся ледовой обстановки.
К числу наиболее весомых признаков подготовки ледового удара в конкретном месте в пределах многокилометровой становой трещины можно отнести следующие: проявление ускоренного крипа по трещинам, быстрое увеличение деформаций сжатия ледяных пластин, нарастание в течение нескольких дней скорости смещений по становой трещине и ее оперяющим системам до 1-2 мм/мин. К этому можно добавить признаки появления отчетливых и многочисленных звуковых и сейсмических сигналов — гул, треск, подвижки льда. При наличии установленной сети GPS-станций в выбранном районе также следует учитывать резкое увеличение массовых скоростей смещения пунктов GPS-измерений, что может указывать на подготовку очередной серии ледовых ударов в расположении становых трещин, вблизи которых размещены пункты наблюдений. При отсутствии возможности руководствоваться оперативной информацией, полученной при инструментальных наблюдениях в ледовых условиях, следует проводить регулярное визуальное обследование становых трещин. Таким образом также можно выявить признаки подготовки удара путем изучения следов недавних активных, но умеренных по амплитудам нажимов льдин. При благоприятных погодных условиях, когда после морозной ночи наступает теплый солнечный день, именно в таких местах, особенно при отсутствии снежного покрова, повышается вероятность высокоскоростного вспарывания частично промерзшего сегмента становой трещины. В случае наличия тонкого слоя свежего снега признаком готовящегося вспарывания в данном месте будет появление тонких волосяных протяженных иногда обводненных трещин, ширина которых быстро увеличивается
до нескольких сантиметров в период прогрева льда, обычного в околополуденное время. В таких местах фиксировались скорости раскрытия оперяющих трещин растяжения порядка 1-3 мм/мин. Первичным признаком подготовки начального (после ледостава) коллизионного вспарывания ледяного покрова также могут являться места пластического вспучивания и линейного изгибания ледяного покрова.
4. Критерии оценки времени возникновения динамических явлений
В прогнозировании землетрясений оценка времени проявления опасных сейсмических актов является наиболее сложной, особенно по требованиям краткосрочного прогноза, когда период ожидания измеряется днями или часами. При выяснении параметров подготовки ледовых ударов, возникающих при быстрой подвижке берегов становых трещин, во внимание принимались факторы, влияющие на темп этой подготовки, в числе которых главная роль отводится температурному и ветровому. Зафиксированы признаки масштабного разрушения ледяных полей в периоды потепления при безветренной погоде, иногда при умеренном тепловом разогреве, но с ветровыми порывами. Установлено также, что выпадение снежного покрова толщиной 5-10 см экранирует лед от солнечного прогрева и, соответственно, увеличивает длительность подготовки очередного мощного ледового удара. В зимний сезон 2011 г. обильные снегопады в слабо продуваемых ветрами участках акватории озера в феврале-марте блокировали активизацию возникших ранее становых трещин и таким образом понизили режим сейсмической активности ледовых полей в некоторых районах, в частности в Листвянском заливе. В таких условиях активизируются условия залечивания трещин и консолидация ледяного покрова [14].
Следовательно, вопрос о возможности прогноза времени генерации очередного ледового удара увязывается преимущественно с комбинацией факторов погодных изменений в течение зимнего сезона — начиная от ледостава, когда закладывается структура ледяного покрова, до его весеннего температурного разрушения. Все это в конечном счете существенно осложняет выявление предвестников события для установления точного времени (часы-минуты) динамического акта в виде быстрого нажима ледяных полей, особенно наглядного в крупных трещинах.
Исходя из определенных ритмов в режиме погодных условий период повторяемости высокоэнергетических сейсмических актов, напоминающих землетрясения, для отдельной становой трещины обычно составляет 8± 3 суток. Разброс значений зависит от сочетания нескольких факторов, связанных с метеогенными измене-
ниями. Наилучшими условиями для подготовки крупных сейсмических актов можно считать увеличение толщины льда до 40-50 см и более, контрастность температуры воздуха в морозный период, штормовые ветра, отсутствие толстого снежного покрова. Такое сочетание факторов проявляется наиболее ярко во второй половине января и в двух первых декадах марта, когда лед еще не сильно размягчен плюсовыми температурами и солнечными лучами. Этот вид ледового прогноза, увязанного с многолетними погодными ритмами, можно рассматривать как аналог долгосрочного вероятностного сейсмотектонического прогноза.
Существует еще один прогностический признак — направленная миграция ледовых ударов в пределах протяженной становой трещины или на соседних участках ледяного покрова на удалениях в несколько километров - десятки километров. Согласно нашим представлениям, механизм подобной миграции связан с распространением деформационного фронта возмущения, например, от штормового ветра или подледных течений, стимулирующих активизацию источников эмиссии упругих импульсов в трещинах. По аналогии с изучением сейсмотектонической миграции в зонах разломов и между ними, рассмотренной в ряде работ, в частности в [15], есть основания использовать и этот критерий для прогноза времени ледового удара в конкретном месте. Например, скорость такой миграции в ледовых условиях между становыми трещинами, по нашим наблюдениям, может в первом приближении составлять 510 км/ч. В районе Листвянского залива подледные течения способны, например, обеспечивать распространение фронта деформаций и миграции ледовых ударов с северо-востока на юго-запад.
Напомним, что для Южного Байкала периодом наиболее высокой вероятности проявления энергетически сильных деструктивных динамических процессов в становых зонах ледяного покрова является вторая половина февраля - первая-вторая декады марта (долгосрочный прогноз). Однако его можно детализировать, опираясь на имеющийся опыт, статистику и выявленные физические механизмы разрушения льда. Как показывают наблюдения за изменениями погодных условий, наивысшая вероятность проявления динамического разрыво-образования в ледяном покрове фиксируется в интервале от 12 до 17 ч, когда прогрев льда достигает максимума [12]. В случае если до начала его охлаждения, т.е. до 18 ч, сейсмическое событие не произошло, возрастает вероятность его проявления уже на следующий день в указанный временной интервал, если условия подготовки резко не изменились. Может усилиться ветер определенного направления, выпадет снег, будет сделан масштабный сброс водных масс через плотину Иркутской ГЭС или произойдет землетрясение. Тогда точность среднесрочного прогноза готовящегося круп-
номасштабного разрыва ледяного покрова может уменьшиться весьма заметным образом из-за невозможности учета влияния дополнительных возникших факторов воздействия на физико-механическое состояние льда.
При непрерывном инструментальном слежении за развитием конкретных, наиболее мощных и потенциально опасных сегментов становой активной трещины, где фиксируются начало ускоренного крипа и эмиссия сейсмоакустических импульсов в нарастающем режиме, появляется возможность осуществления средне- и краткосрочного прогноза ледового удара с периодом ожидания длительностью от первых десятков минут до 4-5 ч.
На рис. 3 приведен график и показано ускорение крипа на периферийной трещине в том сегменте становой зоны, где произошел сильный ледовый удар. Заметное нарастающее скачкообразное сжатие трещины началось примерно за 16 ч до события. Это определяется как первая фаза подготовки, когда однонаправленные смещения имели скорость сжатия льда порядка 0.030.04 мм/ч. Ближе к моменту удара смещение перешло в следующую стадию, когда ускоряющийся на стадии предразрушения ледовый крип по становой трещине возник за несколько минут до момента вспарывания. Если бы удалось заблаговременно приборами зафиксировать наступление стадии ускоренного крипа, то это следовало бы признать как краткосрочный предвестник. Однако такая удача в прогнозе маловероятна.
На рис. 4 показан график, представленный в значениях ускорений сейсмических колебаний при подготовке ледового удара 14.03.2009 г. в 15 ч 41 мин. Анализируя приведенные данные, можно отметить, что за 34 ч до момента события началось нарастание уровня активности сейсмического фона, т.е. появились значительные по амплитудам сейсмические импульсы от
Рис. 3. Запись деформометрического датчика, отражающая подготовку ледового удара и его реализацию. Видно, что признаки начала подготовки стали проявляться с 20 ч вечера 21 марта 2007 г., а сам момент удара зафиксирован в 12 ч 40 мин 22 марта после проявления быстрого скольжения
Рис. 4. Суточный фрагмент записи сейсмостанции, установленной в районе становой трещины, зафиксировавшей признаки усиления сейсмической активности перед ледовым ударом (14.03.2009 г.) и после него. Пояснения в тексте
крупных трещин типа форшоков, а перед главным событием, за 25 мин длительности стадии ускоренного крипа, проявилось сейсмическое затишье той же протяженности вплоть до момента удара.
Физические причины возникновения фазы затишья в ледовых условиях можно объяснить уменьшением или даже отсутствием импульсов со спектром ниже уровня чувствительности аппаратуры. Можно предположить, что механизм затишья в ледовом сценарии обусловлен переходом льда в вязкое течение на фоне ускоренного вязкопластического скольжения перед срывом, что было отмечено в наших экспериментах с образцами байкальского льда. Такой механизм проявления ускоренной ползучести как предвестник фрикционной неустойчивости экспериментально изучался в лабораторных условиях [16]. Не исключено, что подобное объяснение механизма затишья применимо и для формирования очагов тектонических землетрясений.
В качестве другого примера, способного существенно влиять на точность прогноза времени возникновения ледовых ударов, можно рассмотреть роль явления триг-гирования ледовых ударов от местных или очень сильных удаленных землетрясений. Нами многократно фиксировались акты взламывания ледяного покрова при местных сейсмических толчках с М > 5.5. Однако нельзя не учитывать и вполне вероятную возможность тригги-
Рис. 5. Запись установленной на льду сейсмостанцией Сендайского землетрясения в Японии 11.03.2011 г. (М = 9.1). Видны очень большая амплитуда колебаний (14.5 см) и многочасовое их проявление, на фоне которого поздно вечером зарегистрирован сильный ледовый удар. На врезке приведена запись ледового удара (вертикальная компонента) с проявлением низкочастотных колебаний с периодами порядка 10-15 с. Пояснения в тексте
рования трещин во льду от удаленных, но очень сильных землетрясений. Так, 11 марта 2011 г. сейсмостанциями, установленными на льду в районе Листвянского залива, получена запись катастрофического Сендайского землетрясения в районе Тахоку (Япония) с М =9.1, произошедшего в 13 ч 53 мин (время пересчитано на иркутское) на удалении 3272 км (рис. 5). Есть достаточно оснований предполагать, что распространившимися длинноволновыми колебаниями от этого сильнейшего землетрясения с задержкой порядка 7 ч 55 мин был спровоцирован ледовый удар в 21 ч 48 мин по местному времени. Подтверждением этого может служить необычная запись высокочувствительных датчиков деформаций, установленных в ледяном покрове вблизи ледовых трещин. Они зафиксировали необычайно длительные, продолжительностью порядка 6-7 ч, деформационные возмущения в ледяном покрове (рис. 6). Поскольку очень сильного ветра в это позднее вечернее время, который мог бы инициировать ледовый удар, не было, то есть основание факт необычного проявления ледового удара отнести к последствиям дальнего мегаземлетрясения. В данной ситуации ледяной покров байкальской водной линзы отреагировал как высокочувствительная мембрана на длинноволновые сейсмические колебания. Местоположение эпицентра упомянутого наведенного ледового удара приурочено к центральной части Листвянского залива на удалении порядка 19 км от сейсмостанции и датчиков деформаций.
Задержки отклика разрывных нарушений на внешние динамические воздействия являются обычными для реологического поведения в ледяном покрове, поскольку фиксируются нами постоянно, также как и в массивах горных пород. Данный пример приводится для иллюстрации того, что при прогнозировании ледовых ударов нельзя исключать вероятность возникновения нештатной ситуации, которую трудно предвидеть и которая способна существенным образом повлиять на точность оценок времени наступления ледового удара.
Из вышесказанного следует вывод о том, что предельно высокая точность прогноза времени возникновения ледовых ударов с вероятностью близкой к Р = 1.0
Рис. 6. Вид записи аномальных деформаций ледяного покрова, начавшихся в момент упомянутого в землетрясения в Японии 11 марта 2011 г. Обращает внимание очень большая длительность деформаций, составившая порядка 7-8 ч (данные С.А. Борнякова, ИЗК СО РАН, Иркутск)
Таблица 1
Энергия разрыва льда по калибровочным взрывам
Дата г к ей R, м V, м/с е, Дж/м2 Е, Дж К
21.03.2008 0.045 115 0.90 0.23 19143 4.3
0.105 155 0.70 0.18 27902 4.4
0.045 140 0.67 0.13 15723 4.2
12.03.2009 0.015 220 0.07 0.0010 294 2.5
0.015 446 0.05 0.0004 499 2.7
0.015 490 0.03 0.0002 268 2.4
практически не достижима, что может быть соотнесено и с краткосрочным прогнозом землетрясений тектонической природы.
5. Прогноз энергии ледового удара
В отличие от тектонических землетрясений, у которых оценка энергии осуществляется по анализу амплитудно-частотных характеристик волновых колебаний с учетом разных времен вступлений Р- и S-волн, определение данного параметра для ледовых ударов практически не разработано, поскольку в массиве ледяного покрова на поверхности глубоководной линзы Байкала выделение Р-волн на сейсмических записях невозможно. Поэтому используются два приемлемых, на взгляд авторов, подхода. Из физики разрушения известно, что энергия динамического явления (разрушения твердого тела) зависит от его массы и скорости ее перемещения. Применительно ко льду можно использовать уже известные уравнения. Поскольку по основным упругим параметрам (коэффициент Пуассона, модуль Юнга) пресный лед близок к горным породам, то энергию динамического разрыва ледяного покрова можно оценить, основываясь на известных методах определения сейсмической энергии взрывов. Так, например, в работе [ 17] в зоне с преобладанием продольных волн удельную энергию предложено оценивать по формуле:
е = 0.8^ 2,
где е — полная удельная энергия, Дж/м2; Q — масса заряда, кг; V — максимальная векторная скорость смещения частиц грунта, см/с.
Воспользовавшись этой формулой, оценим энергию и энергетический класс калибровочных взрывов, проведенных в 2008 и 2009 гг. (табл. 1).
По измерениям 2009 г. наибольшее по амплитуде значение колебательной скорости ледяного покрова
имел ледовый удар, произошедший 14 марта в 16 ч
41 мин (табл. 2).
Зная зависимость скорости перемещения от приведенного расстояния, можно оценить эквивалентную массу взрывчатого вещества. Удар в виде быстрого вспарывания по становой трещине 14 марта 2009 г. прошел между станциями № 2 и № 5. Точное расстояние между движущимся источником колебаний и станциями, учитывая особенности разрыва в ледяном покрове, определить невозможно. Также большой разброс имеется в значениях коэффициента пропорциональности К 5. Оценки, проведенные с учетом диапазонов разброса расстояний и коэффициента пропорциональности, дают среднее значение Е =1.9 -106 Дж, что соответствует энергетическому классу К = 6.3.
Обследование зоны произошедшего разрыва ледяного поля позволило также оценить объем массы льда, вовлеченного в движение. При размерах разрыва 2 000 х 1 х 0.6 м масса вовлеченного в движение льда составляет ~ 1.1-106 кг. При перемещении такой массы льда на наблюдаемое расстояние ~1.2 м с коэффициентом трения близким к 1 необходима энергия 1.3 -106 Дж, или К = 6.1. Этот показатель не противоречит оценке, сделанной с помощью калибровочных взрывов. В работе [12] приводится полученная оценка энергии ледового удара, зарегистрированного 22.03.2007 г., которая укладывается в диапазон значений 105-107 Дж, что, в принципе, не обнаруживает больших расхождений с новыми данными и в работе [13]. Применительно к условиям Байкала наибольшую энергию ледовых ударов следует ожидать при значительной толщине ледяного покрова, т.е. в конце февраля - начале марта, когда лед еще достаточно проморожен и имеет высокие показатели упругости и хрупкости в верхней части разреза. Еще один важный фактор, влияющий на энергию ледовых ударов, связан со стадией формирования становых трещин.
Таблица 2
Максимальные амплитуды скоростей смещения и соответствующие им частоты колебаний ледяного покрова при ледовом ударе 14 марта 2009 г.
R, м Вн-8, мм/с А-й» Гц ВЕ-№, мм/с Гц Вг, мм/с Л, Гц В^ мм/с
Станция № 2 300-400 15.4 3.5 15.9 2.7 3.5 3.1 22.4
Станция № 5 400-500 21.3 2.5 11.5 1.9 8.9 1.4 25.8
Наибольшие энергетические показатели регистрируются при торцовом контакте и компрессионном сжатии краев льдин, т.е. до появления подсовов в виде подо-двигания одной льдины под другую. При возникших подсовах контакт становится касательным, более слабым, и накопление запаса упругой энергии в ледяном покрове снижается при изгибных деформациях ледяных пластин [18].
Во второй половине марта при возрастающем температурном прогреве и размягчении ледяного покрова существенно снижаются его прочностные и упругие свойства, а следовательно, и энергия ледовых ударов, т.е. энергетический потенциал ледовых ударов зависит от мощности льда и его температурного состояния, обусловливающего удароопасность. Отсюда очевидно, что максимальные по энергии события наиболее вероятны (и проявляются) в конце февраля, а минимальные — в конце марта - апреле, когда сильные ледовые удары уже маловероятны в размягченном ледяном покрове.
Таким образом, в целом прогнозные оценки максимальной энергии ледовых ударов связаны с режимом изменения метеогенных факторов, влияющих на толщину ледяных пластин, а также на их удароопасность. Необходимо также увязывать оценку потенциальной энергии льдотрясений, т.е. ее прогноз, с протяженностью становых трещин. С точки зрения механики разрушения очевидно, что мелкая трещина при спонтанном развитии не способна излучать пакеты мощных сейсмических импульсов из-за масштабных ограничений в объемах ледяных блоков и накопленной в них упругой энергии. Этот вывод подтверждается и при использовании уравнения, приведенного выше. Заметим, что в этом также проявляется физическое подобие связи энергии землетрясений с протяженностью сейсмоактивных тектонических разломов.
6. Обсуждение результатов
Представленные результаты исследований позволяют утверждать, что проводимые в режиме мониторинга деформометрические, сейсмологические и акустоэмис-сионные измерения дают возможность оперативно контролировать процессы подготовки мощных динамических явлений в ледяном покрове Байкала. При надлежащем техническом оснащении и мониторинге деформаций и сейсмичности ледяного покрова, когда будут соблюдены необходимые условия сбора и оперативной обработки поступающей информации, долгосрочный и среднесрочный виды прогноза сильных ледовых ударов останутся вероятностными и вполне осуществимыми. Реализация краткосрочного прогноза представляется маловероятной, так как практически всегда возникает неопределенность сочетания различных факторов, влияющих на подготовку финальной части ледового удара. Это означает объективную невозможность пред-
сказания моментов наступления опасного сейсмического события с точностью до нескольких часов. Поэтому данный вид прогноза, даже при его дальнейшем совершенствовании, что потребует сложнейшего технического оснащения и огромных материальных затрат, останется на уровне вероятностного и не исключающего ошибок типа «ложная тревога», что вряд ли можно считать приемлемым.
Чтобы более объективно моделировать динамику процессов подготовки ледовых ударов в рамках долго-и среднесрочного видов прогноза, следует научиться оценивать значимость отдельных факторов в их подготовке. В конечном счете следует попытаться найти такой интегральный показатель, который позволил бы общее реологическое состояние ледовой системы выразить одним числом. Однако параметры ледовой среды измеряются в различных единицах, что существенным образом затрудняет их сопоставление между собой. Для решения этой задачи в дальнейшем предлагается использовать факторный анализ, основанный на балльных оценках. Главное его достоинство — возможность при-
2 3456789
Рис. 7. Схема испытательного полигона в зоне становой трещины у м. Кадильный, где проводились взрывные воздействия на фрагмент становой трещины. Условные знаки: 1 — сегменты трещин сжатия (подсовов) в зоне генеральной становой трещины; 2 — участки сжатия становой трещины, активизированные после проведения взрывов № 2 и № 3; 3 — трещины сжатия, испытавшие быстрое раскрытие после взрыва № 1; 4 — крупная трещина растяжения со сдвигом, испытавшая раскрытие после последних двух взрывов; 5 — высокоточные датчики деформаций; 6 — направление горизонтальных смещений; 7—направление оси сжатия ледяного покрова; 8 — размещение сейсмостанций; 9 — расположение камер подледного взрывания и номера последовательности взрывов
Рис. 8. Вид участка становой трещины после первого взрыва. С задержкой после взрыва длительностью в 22 мин фрагмент становой трещины раздвинулся на 0.4-0.6 м на протяжении 120 м. Стрелками отмечены участки активизации трещины
Рис. 9. Другая трещина растяжения со сдвигом, ответвляющаяся от становой зоны, которая раскрылась после инициирующих взрывных воздействий в течение нескольких часов
ведения различных составляющих к безразмерному виду. Это позволило бы решить проблему соизмеримости факторов, влияющих на подготовку актов динамического разрушения льда.
Поскольку перспективы достижения успехов в области краткосрочного прогноза ледовых ударов, как и для землетрясений, остаются неблагоприятными и труднодостижимыми, то заслуживает рассмотрения следующий предлагаемый подход к решению проблемы снижения сейсмического риска. Выявленные потенциально опасные для динамического вспарывания сегменты зон становых трещин можно инициировать техногенными воздействиями в точно определенное (заданное) время. Решение подобной задачи было практически осуществлено 24 марта 2011 г. на одной из крупных становых трещин в районе мыса Кадильный. На рис. 7 представлена схема проведения экспериментов, в ходе которых в выбранном высоконапряженном сегменте крупной становой трещины удалось тремя последовательными слабыми подледными подрывами пороховых зарядов в металлической оболочке весом 60, 100 и 150 г (Е = = п -105 Дж) вызвать ее ускоренное вспарывание в нескольких участках с общей протяженностью порядка 210 м. Отклик на инициирующие взрывы происходил в виде слабых ледовых ударов в сочетании с проявлениями ускоренного крипа, время задержек — 15, 22 и
42 мин (рис. 8, 9).
Развивая предлагаемый способ решения проблемы краткосрочного прогноза в рамках физического моделирования, можно достигнуть и одновременного снижения сейсмического риска, т.е. избежать негативных последствий неожиданного и потому более опасного сильного ледового удара. Именно это является основной целью краткосрочного прогноза и для тектонических землетрясений. Последнее означает достижение сейсмо-
безопасности путем запланированной инициации техническими средствами серии умеренных по скорости и амплитуде подвижек вместо ожидания очередного высокоскоростного и крупноамплитудного смещения берегов становой трещины в виде ледового удара. Подобных результатов при физическом моделировании можно добиться, подбирая весовые заряды и взрывая их в определенном режиме последовательности в выбранных сегментах становых трещин. Зная место созревания опасного сегмента и расчетную силу ледового удара, можно перевести высокоскоростную разрядку напряжений в режим более плавного и безопасного высвобождения энергии, накопленной в деформирующихся ледяных полях точно в заданное время.
Таким образом, используя различные средства техногенных воздействий — взрывы, мощные гидравлические инструменты или специальные вибраторы, можно отрабатывать способы плавной разгрузки упругих избыточных напряжений в ледовых дислокациях для предупреждения трудно прогнозируемого и потому неожиданного и опасного динамического события в виде мощного ледового удара. Физическое моделирование в области разработки методов прогноза ледовых ударов может быть использовано и для совершенствования технологии управления деформациями в зонах опасных сейсмоактивных разломов с целью направленного изменения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород [19-22 и др.].
7. Заключение
Достоинства физического моделирования заключаются в том, что оно дает возможность на упрощенных опытных испытаниях лучше осознавать сущность более сложных явлений — таких, в частности, как сейсмотек-
тонические процессы. Удовлетворительное решение задач прогноза ледовых ударов, напоминающих землетрясения или горные удары, может быть достигнуто в ближайшее время на вероятностном уровне при соблюдении следующих условий: организация длительного мониторинга режимов деформаций и сейсмоакустической эмиссии в корреляции с прогнозом погоды; современное техническое оснащение исследований не только на выбранных полигонах, но и на больших пространствах ледяного поля Байкала; создание диспетчерских пунктов для сбора (путем телеметрии) информации и оперативного слежения за ходом деформирования ледяных полей; усиление детальности наблюдений за выявленными становыми трещинами с признаками подготовки ледовых ударов с целью определения прогнозируемого времени (момента) их реализации; разработка сейсмо-динамических моделей подготовки мощных ледовых ударов, разрушающих лед в его различных реологических состояниях.
Нетрудно понять, что примерно такие же условия необходимы и для реализации методов долгосрочного и среднесрочного видов прогноза тектонических землетрясений. До настоящего времени нет единства взглядов исследователей на применение различных методов осуществления разных видов прогноза землетрясений и даже на возможность их практической реализации. На примерах физического моделирования легче понять и объяснить причины неудач в области решения проблем краткосрочного прогноза, что связано со сложностью недостаточно изученных и плохо контролируемых процессов в очагах землетрясений, невозможностью их полноценного контроля, а также из-за отсутствия адекватных сейсмогеодинамических моделей, которые, скорее всего, могут быть многообразными в различных геотектонических условиях.
Нужно заметить, что нет особой необходимости связывать снижение сейсмического риска с вероятностным краткосрочным прогнозом, поскольку последний остается практически недостижимым. С другой стороны, даже его успешное достижение в любом случае не позволит существенно снизить потери из-за слишком короткого времени тревоги. Полученные результаты разработки способов прогнозирования байкальских ледовых ударов позволяют глубже осмыслить существующие методы прогноза сильных и разрушительных землетрясений, оценить их эффективность и недостатки. Как следствие, выявляются возможности более целенаправленного способа совершенствования существующих методов прогнозирования, а также поиска новых путей более эффективного снижения сейсмического риска при сильных тектонических событиях. Для дальнейшего развития методов прогноза и управления деформациями в зонах становых трещин Байкала с целью разработки технологии их безопасной разгрузки от избыточных напряжений необходимо проведение допол-
нительных исследований в рамках физического моделирования.
Работа выполнена при поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 20.
Литература
1. Гаккель Я.Я. Природное «моделирование» на ледяной коре. - М.: Изд-во ВГО, 1959. - С. 21-32.
2. Меллор М. Механические свойства поликристаллического льда // Физика и механика льда. - М.: Мир, 1983. - С. 203-239.
3. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (Пет-рофизика): Справочник геофизика. - М.: Недра, 1976. - 423 с.
4. Добрецов Н.Л., Псахье С.Г, Ружич В.В., Попов В.Л., Шилько Е.В.,
Гранин Н.Г., ТимофеевВ.Ю., Астафуров С.В., Димаки А.В., Стар-чевич Я. Ледовый покров озера Байкал как модельная среда для изучения тектонических процессов в земной коре // ДАН. - 2007. -Т. 412. - № 5. - С. 656-660.
5. Псахье С.Г., Шилько Е.В., Астафуров С.В., Димаки А.В., Ружич В.В., Панченко А.Ю. Модельные исследования процессов возникновения и развития деформационных структур субдукцион-ного типа в ледовом покрове озера Байкал // Физ. мезомех. -2008.- Т. 11. - № 1. - С. 55-65.
6. Жданов А.А., Гранин Н.Г., ШимараевМ.Н. О механизме генерации
подледных течений в Байкале // ДАН. - 2001. - Т. 377. - № 3. -С. 392-395.
7. Псахье С.Г, Ружич В.В., Гранин Н.Г, Ченский А.Г, Черных Е.Н., Шилько Е.В., Димаки А.В., Астафуров С.В. Изучение закономерностей развития сейсмотектонических процессов в земной коре на модельной системе ледового покрова озера Байкал // Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии. - Иркутск: ИЗК СО РАН, 2005. - Вып. 3. - С. 225-229.
8. Псахье С.Г., Ружич В.В., Шилько Е.В., Попов В.Л., Димаки А.В., Астафуров С.В., Лопатин В.В. О влиянии состояния границ раздела на характер локальных смещений в разломно-блоковых и интерфейсных средах // Письма в ЖТФ. - 2005. - Т. 31. - № 16. - С. 8087.
9. Сокольников В.М. Вертикальные и горизонтальные смещения и деформации сплошного ледяного покрова Байкала // Труды Байкальской лимнологической станции. XVIII. - M. : Изд-во АН СССР, 1960. - Т. 1. - С. 291-350.
10. Любушин А.А., Писаренко В.Ф., Ружич В.В., Буддо В.Ю. Выделение периодичностей в сейсмическом режиме // Вулканология и сейсмология. - 1998. - № 1. - С. 62-76.
11. Ружич В.В. Сейсмотектоническая деструкция в земной коре Байкальской рифтовой зоны. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. -145 с.
12. Ружич В.В., Псахье С.Г, Черныгх Е.Н., Борняков С.А., Гранин Н.Г. Деформации и сейсмические явления в ледяном покрове озера Байкал // Геология и геофизика. - 2009. - Т. 50. - № 3. - С. 289299.
13. Истомин В.Е., Дучков А.Д. Температурные напряжения и энергия упругого деформирования в ледовом покрове оз. Байкал // Физ. мезомех. - 2010. - Т. 13. - № 1. - С. 91-94.
14. ДучковА.Д., Истомин В.Е., Казанцев С.А. Температурный режим льда оз. Байкал и связанные с ним внутренние напряжения и смещения в ледяной плите // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. - № 1. -С. 87-92.
15. Левина Е.А., Ружич В.В. Разномасштабная миграция землетрясений как проявление инициированного энергопотока при волновых деформациях литосферы Земли // Триггерные эффекты в геосистемах: Тезисы докладов семинара-совещания, Москва, июнь 2010 г. - М.: ИДГ РАН, 2010. - С. 53-54.
16. Филиппов А.Э., Попов В.Л., Псахье С.Г, Ружич В.В., Шилько Е.В. О возможности перевода динамики смещений в блочных средах в режим ползучести // Письма в ЖТФ. - 2006. - Т. 32. - № 12. -С. 77-86.
17. Цейтлин Я.И., ГильмановР.А. Об энергетическом критерии опасности действия взрывных волн промышленных взрывов // Сейс-мика промышленных взрывов. - М.: Недра, 1983. - С. 61-73.
18. Псахье С.Г., Шилько Е.В., Астафуров С.В., Димаки А.В., Гранин Н.Г., Ружич В.В., Гнатовский Р.Ю. Роль внутренних напряжений в плитных средах как фактора, определяющего деформационную активность на границах раздела. Оценка величины избыточных «тектонических» напряжений // Физ. мезомех. - 2010. -Т. 13.- № 3. - С. 98-103.
19. Пат. 2273035 РФ. Способ управления режимом смещений во фрагментах сейсмоактивных тектонических разломов / С.Г. Псахье, Е.В. Шилько, С.В. Астафуров, В.Л. Попов, В.В. Ружич, О.П. Смекалин, С.А. Борняков // Бюл. изобр., 2006. - № 9.
20. Псахье С.Г., Шилько Е.В., Астафуров С.В., Димаки А.В., Ружич В.В., Лопатин В.В. Новый подход к сейсмически безопасной релаксации локальных напряжений в земной коре // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2005. - С. 451-460.
21. Ружич В.В. Льдотрясение как тектоническая модель // Наука из первых рук. - 2007. - № 2. - С. 6-7.
22. Ruzhich VV, Psakhie S.G., Popov V.L. Seismic Hazard Mitigation by Technological Impact on Displacements in Segments of Active Faults // Proc. Conf. Commemorating the 50th Anniversary of the 1957 Gobi-Altay Earthguake (25 July - 8 August, 2007, Ulaanbaatar, Mongolia). - Ulaanbaatar: Research Center of Astronomy and Geophysics, 2007. - P. 204-208.
Поступила в редакцию 29.04.2011 г.
Сведения об авторах
Добрецов Николай Леонтьевич, д.г.-м.н., проф., акад. РАН, гнс ИГМ СО РАН, [email protected]
Ружич Валерий Васильевич, д.г-м.н., гнс ИЗК СО РАН, [email protected]
Псахье Сергей Григорьевич, д.ф.-м.н., проф., дир. ИФПМ СО РАН, [email protected]
Черных Евгений Николаевич, к.г.-м.н., снс ИЗК СО РАН, [email protected]
Шилько Евгений Викторович, д.ф.-м.н., внс ИФПМ СО РАН, [email protected]
Левина Елена Алексеевна, мнс ИЗК СО РАН, [email protected]
Пономарева Елена Иннокентьевна, асп. ИЗК СО РАН, [email protected]
