Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоинформационная система для прогноза землетрясений и горных ударов: разработка и примеры применения в Байкальской рифтовой зоне и Норильском месторождении

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Геоинформационная система для прогноза землетрясений и горных ударов: разработка и примеры применения в Байкальской рифтовой зоне и Норильском месторождении"

На правах рукописи

ЛЕВИНА ЕЛЕНА АЛЕКСЕЕВНА

Геоинформационная система для прогноза землетрясений и горных ударов: разработка и примеры применения в Байкальской рпфтовой зоне и Норильском месторождении

Специальность: 25.00.35 - Геоинформатика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

- 8 ДЕК 2011

Иркутск-2011

005004897

Работа выполнена в Институте земной коры (ИЗК) СО РАН (г. Иркутск)

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук

Ружич Валерий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Снетков Вячеслав Иванович (Национальный исследовательский Иркутский Государственный технический университет, г. Иркутск)

доктор геолого-минералогических наук Чудненко Константин Вадимович (Институт геохимии СО РАН, г. Иркутск)

Ведущая организация: Геологический институт СО РАН (г. Улан-Удэ)

Защита состоится 26 декабря 2011 года в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 212.073.01 при Национальном исследовательском Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83, аудитория Е-301, тел. (факс) (8-3952) 405-112, e-mail: dis@istu.edu

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Отзывы на автореферат в 2 экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю совета Галине Дмитриевне Мальцевой, тел. (8-3952) 405-348, 89149323049, dis@istu.edu

Автореферат разослан «25» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

Г.Д.Мальцева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

В диссертационной работе изложены результаты исследований автора в 19952010 гг., посвященных разработке геоинформационной системы и ее применению в решении ряда актуальных задач, связанных с сейсмическими процессами. Рассмотрены явления миграции эпицентров землетрясений, проблемы различных видов прогноза землетрясений применительно к территории Байкальской рифтовой зоны (БРЗ), а также вопросы повышения эффективности прогноза горных ударов (на примере Норильского месторождения полиметаллов), что важно для снижения инженерного сейсмического риска при работах в глубоких подземных горных выработках.

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

Борьба человечества с последствиями сильных и катастрофических землетрясений ведется на протяжении всей его истории, и до настоящего времени успехи на данном поприще достаточно скромные. Это объясняется сложностью и трудно-доступностью объектов для изучения глубинных геологических процессов, приводящих к деформированию и деструкции верхней оболочки Земли, в которой проявляется сейсмичность.

Как известно, одним из способов борьбы с последствиями землетрясений является их прогноз: долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный. Однако последний вид прогноза - краткосрочный, несмотря на усилия нескольких поколений исследователей, остается пока недостижимой целью, высказываются даже сомнения в его принципиальной возможности. Сложившаяся ситуация серьезно осложняется отсутствием хорошо разработанной теории сейсмотектонической деструкции больших объемов горных масс. Но за последние десятилетия в области разработки методов средне- и долгосрочного прогноза землетрясений, тем не менее, достигнуты определенные результаты (Соболев, 1993, 2004; Ружич, 1997; Пономарев, 2003; Завьялов, 2004; КоБоЬокот, ЗЬеЬаНп, 2003; Кособокое, Некрасова, 2010; \logi, 1979; КаваЬага, 1981 и др.). Методы решения задач такого вида прогноза, при всем их разнообразии, основываются, как правило, на компьютерной обработке больших массивов данных, прежде всего сейсмологических - в виде каталогов современных и исторических сейсмических событий. Значительное улучшение в изучении сейсмического процесса в пределах БРЗ и смежных с нею территорий для целей среднесрочного и долгосрочного видов прогноза землетрясений может быть достигнуто при совершенствовании алгоритмов обработки и анализа накопленной базы данных и создании моделей подготовки землетрясений.

При современной урбанизации и уровне развития средств производства общество все более остро нуждается в постоянном оперативном слежении за вариациями сейсмичности в том или ином регионе для того, чтобы можно было принять превентивные меры с целью снижения сейсмического риска. Отсюда следует необходимость совершенствования методов решения задач долго- и среднесрочного прогноза опасных землетрясений. БРЗ является одним из сейсмоопасных районов нашей страны, и возможные землетрясения в ней способны нанести значительный

ущерб территориям с высокой плотностью населения и экологически опасными производственными сооружениями.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Целью работы является создание специализированной геоинформационной системы (ГИС) для изучения пространственно-временных характеристик сейсмического режима и оперативного получения его параметров, пригодных для среднесрочного прогноза землетрясений и решения других связанных с ним вопросов.

При подготовке работы автором решались следующие задачи:

- проектирование и формирование базы сейсмологических и геологических данных;

- создание пакета программ для обработки и статистического анализа данных;

- изучение с помощью разработанной ГИС закономерностей миграции землетрясений в БРЗ и смежных регионах Юго-Восточной Азии;

- применение ГИС для получения средне- и долгосрочного прогноза землетрясений в пределах территории БРЗ;

- адаптация и использование методики прогноза землетрясений при анализе режимов горных ударов в глубоких подземных выработках на примере Норильского полиметаллического месторождения.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Для получения параметров сейсмического процесса, привлекаемых с целью среднесрочного прогноза землетрясений, применялся метод распознавания образов. В разработанной ГИС используются разнообразные критерии прогноза землетрясений, в том числе и оригинальные. При изучении миграции эпицентральных полей землетрясений БРЗ рассматривалась как длительно развивающаяся дизъюнктивная метасистема в Центрально-Азиатском сегменте Евразийской плиты. Учитывая тот факт, что Байкальский рифт является элементом планетарной сейсмотектонической системы, разработанная методика анализа сейсмических режимов и миграции землетрясений может использоваться для любого региона и для всей Земли в целом. В рамках рассматриваемой работы в качестве фактического материала использовался каталог землетрясений Байкальского филиала Геофизической службы СО РАН, а также каталог землетрясений по всему миру, полученный через Интернет (Advanced National Seismic System).

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. ГИС «Prediction» на основе комплексирования программных модулей, разработанных на специализированных алгоритмах, оперативно оценивает набор и значимость критериев для прогнозирования в заданных интервалах времени параметров места и энергии очагов землетрясений с М>4.5 применительно к геодинамическим условиям Байкальской рифтовой зоны.

2. Оценка скорости и направления миграции локализованных областей сейсмической активности в пределах Байкальской рифтовой зоны и сопредельных районов возможна на основе оптимального сочетания кластерного и регрессионного

анализов, что обеспечивает выяснение механизмов сейсмомиграции и выявление критерия для прогноза места и времени проявления сейсмической активизации.

3. ГИС "Prediction" в предложенном варианте является универсальным инструментом для решения задач по прогнозированию и контролю как опасных природных сейсмических явлений в региональном масштабе, так и опасных сейсмогео-динамических событий, инициированных в горных выработках при подземной разработке полезных ископаемых.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

В рамках решения поставленных задач автором лично спроектирована и разработана специализированная ГИС: предложены математические методы, разработаны алгоритмы и компьютерные программы.

Автор с 1994 года принимала активное участие в создании и совершенствовании пакета компьютерных программ для обработки сейсмологических данных, их математического анализа и интерпретации с целью более глубокого понимания природы сейсмотектонических явлений. Полученные результаты послужили основой для совершенствования методов средне- и долгосрочного прогноза землетрясений в БРЗ. При разработке методов статистического анализа каталога сейсмических явлений в подземных горных выработках Норильского месторождения весь большой объем расчетов выполнен автором, что определило возможность формирования новой стратегии снижения инженерно-сейсмического риска горноразведочных работ в глубоких подземных выработках.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И И РАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

Многолетние исследования и разработки автора привели к созданию оригинальной ГИС "Prediction", включающей модули для прогноза землетрясений, их миграции и анализа горных ударов. Это послужило основой для более глубокого понимания природы подготовки очагов землетрясений и проявления сейсмоми-грационных явлений в земной коре БРЗ, а также за ее пределами. Выявление новых и малоизученных особенностей сейсмического режима в БРЗ (в частности, миграции землетрясений) способствовало разработке сейсмогеологического подхода к средне- и долгосрочному прогнозу землетрясений, результаты которого используются в настоящее время органами МЧС и администрацией Иркутской области для снижения негативных последствий сейсмических событий в Прибайкалье. На основе проведенного анализа режима возникновения горных ударов ГИС "Prediction" предлагает и обосновывает более совершенный подход к снижению сейсмического риска в глубоких подземных выработках. Эти результаты приняты во внимание и учитываются при разработке мер по снижению инженерно-сейсмического риска в районе горных выработок Норильского месторождения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационной работы за период с 1997 по 2010 гг. были представлены в 19 докладах и обсуждались на 18 всероссийских и зарубежных совещаниях и конференциях. Наиболее важными из них являются: Первая на-

учно-практическая конференция «Проблемы оценки и прогноза устойчивости геологической среды г. Иркутска» (Иркутск, 1997); V International Conference "Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (Baikal Lake, Russia, 1997); Всероссийская научная конференция, посвященная 10-летию Российского фонда фундаментальных исследований: «Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков» (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2002); Всероссийская конференция «Риск - 2003» (Новосибирск, 2003); Научно-практическая конференция «Дальнейшее совершенствование природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территорий - устойчивое развитие Сибирского региона» (Новосибирск, 2004); V Российско-Монгольская конференция по астрономии и геофизике (Иркутск, 2005); Всероссийское совещание «Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии» (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2005); Всероссийское совещание с международным участием «Проблемы современной сейсмогеологии и геодинамики Центральной и Восточной Азии» (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2007); Conference commemorating the 50th anniversary of the 1957 Gobi-Altay earth-guake (Ulaanbaatar, Mongolia. 25 July - 08 August, 2007); Всероссийская научная конференция с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, ИГД СО РАН, 2008); Всероссийское совещание «Разломообразование и сейсмичность в литосфере: тектонофизические концепции и следствия» (Иркутск, 21 августа 2009); Всероссийское совещание с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» (Новосибирск, 6-10 июля 2009); Всероссийский семинар-совещание «Триггерные эффекты в геосистемах» (Москва, 2010); Всероссийский симпозиум с международным участием, посвященный памяти Н.А.Логачева в связи с 80-летием со дня рождения (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2010); Одиннадцатый всероссийский семинар «Геодинамика, геомеханика и геофизика» (п. Новый Энхалук, Республика Бурятия, 2011); Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2011).

Главные результаты исследований изложены в 25 научных публикациях на русском и английском языках, в том числе в 2-х монографиях (в соавторстве), а также в 16 научно-технических отчетах.

Исследования выполнялись в рамках реализации программ НИР СО РАН, проекта Программы Президиума РАН (1) и интеграционных проектов СО РАН (3): № 101 (2003-2005); № 16.3 (2006-2008); № 61 (2009-2011); № 16.8 (2009-2011), а также грантов РФФИ (2): № 97-0596384-O (1997-1999); № 01-05-97220-р2001байкал (2001-2004).

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 114 стр., включая 52 рисунка и список литературы из 90 наименований.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю, д.г-м.н. В.В. Ружичу, за постановку задач, постоянную поддержку на всех этапах подготовки работы, а также коллегам по лаборатории тектонофизики и

сейсмогеологии: д.г-м.н., профессору С.И. Шсрману, д.г-м.н. К.Ж. Семинскому, д.г-м.н., профессору К.Г. Леви, к.г.-.м.н. В.А.Санькову, а также И.А. Платоновой и другим сотрудникам ИЗК СО РАН, оказывавшим техническую помощь в подготовке работы. Кроме них автор испытывает искреннюю признательность специалистам ИРГТУ, принявшим участие в обсуждении работы на разных этапах ее подготовки к защите.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА I. Современное состояние проблемы прогноза землетрясений

Сильные землетрясения наносили большой урон человечеству на протяжении всей его истории, и борьба с ними остается актуальной до настоящего времени. К сожалению, мы не располагаем ресурсами, позволяющими строить надежные объекты в сейсмически опасных зонах в расчете на предельную интенсивность сотрясения па данной территории. В такой ситуации весомое значение приобретает прогноз землетрясений, позволяющий оценить место, силу и время ожидаемого события. Первые две задачи более пли менее удовлетворительно решаются с помощью сейсмического районирования, отвечающего на вопрос: какой силы подземные толчки, в принципе, могут ожидаться в данной местности? Главная трудность заключается в указании времени, когда может произойти прогнозируемое событие. По этому параметру различают долгосрочный (десятки лет), среднесрочный (годы, месяцы) и краткосрочный (дни, часы) прогнозы. Существующие в настоящее время методы прогнозирования ориентированы на отслеживание вариаций интенсивности сейсмического процесса и выявление неустойчивости в его режиме. Фактически произошел переход от детерминированного понимания задачи предсказания землетрясений к вероятностной модели прогноза. Бурное развитие вычислительной техники сделало возможными решения, недоступные ранее из-за огромного объема вычислений. Информационные технологии стали использоваться в самых разных областях, в том числе и при исследовании сейсмического процесса. Обзор алгоритмов прогноза землетрясений, пригодных для автоматической обработки, сделан А.Д. Завьяловым (2003). Появление (около 25 лет назад) и развитое геоинформационных систем (ГИС) также внесло свой вклад в разработку инструментов прогноза землетрясений и изучение сейсмического процесса. ГИС для целей прогноза землетрясений разработаны в Научном центре оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ), в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова, в Институте физики Земли РАН и др. Однако возможности совершенствования среднесрочного прогноза отнюдь не исчерпываются вышеупомянутыми разработками. В описываемой в данной работе ГИС используются оригинальные подходы, набор предвестников сейсмического события и методы анализа результатов.

Выводы. Рассмотрены актуальность изучения сейсмического процесса и прогноза землетрясений, а также результаты, достигнутые к настоящему времени, и их недостаточность. Показано, что, несмотря на трудности реализации методов прогноза землетрясений, это направление исследований, наряду с другими методами, остается перспективным и нужным для снижения сейсмического риска.

Подчеркнут важный вклад ГИС в прогресс исследований по снижению сейсмического риска.

ГЛАВА 2. Специализированная геоинформациоиная система для изучения сейсмического режима

В Институте земной коры СО РАН (г. Иркутск) работы по созданию специализированного программного обеспечения для анализа сейсмического процесса были начаты еще в конце 1980-х годов. В настоящее время автором под руководством д.г.-м.н. В.В.Ружича разработана новая ГИС «Prediction». Она предназначена для изучения режима развития сейсмического процесса во времени и пространстве, обработки данных о землетрясениях, их статистического анализа и представления результатов в виде различного рода графиков и карт. ГИС «Prediction» состоит из базы данных и нескольких программных модулей. Для некоторых видов статистического анализа использовалась также программа Microsoft Office Excel.

База данных (БД) ГИС «Prediction» реализована в формате СУБД MySQL. Данные хранятся в виде набора тематических слоев: каталог эпицентров землетрясений; топографические объекты; геологические объекты; каталог мест ожидаемого возникновения землетрясений; модели; настройки.

Программные модули

Модуль «Подготовка данных» написан на языке PHP, все остальные модули ГИС «Prediction» - на языке программирования Delphi и предназначены для работы под операционной системой Windows 98/2000/ХР/7. Они могут быть использованы для исследования любого региона земного шара при наличии каталога эпицентров землетрясений.

Модуль «Прогноз» позволяет:

- построить карту заданного района с нанесением на нее выбранных топографических объектов/эпицентров землетрясений; изолиний выделившейся сейсмической энергии; районов ожидаемых землетрясений; вышеперечисленных объектов в любых сочетаниях;

- произвести обработку данных об эпицентрах землетрясений и представить результаты в виде графиков и двух- и трехмерных гистограмм: изменение во времени суммарного количества землетрясений и выделившейся сейсмической энергии; изменение во времени концентрационного критерия разрушения; график повторяемости землетрясений;

- изучать периодичности в сейсмическом процессе с помощью включения «режима накопления»: получения суммарных значений количества землетрясений или выделившейся сейсмической энергии в одни и те же интервалы времени в рамках заданного периода.

Модуль «Изосейсты» также строит карты, но исходной информацией для него является не каталог, а введенные координаты эпицентра землетрясения, его энергетический класс и глубина гипоцентра, если таковая имеется. По этим данным модуль позволяет построить изосейсты землетрясения, используя заданные заранее коэффициенты спадания балльности, и вычислить величину балла в эпицентре по одной из двух формул - экспоненте или формуле Н.В. Шебалина. Мо-

дуль «Изосейсты» может быть использован для прогноза силы колебаний, которые будут ощущаться в конкретных населенных пунктах в результате прогнозируемого землетрясения (более подробно описан в главе 4).

Модуль «Настройки» позволяет менять многочисленные параметры, необходимые для работы ГИС: координаты изучаемого района; рассматриваемый период времени и диапазон энергетических классов землетрясений; используемый каталог; использование классов или магнитуд; вид (цилиндрическая или коническая) проекции для построения карт; вид используемых координат - географических или прямоугольных; величины временных и пространственных окон сглаживания; модели и формулы для расчета изосейст; набор и вид изображаемых топографических объектов; элементы оформления и цвета карт и графиков.

Модуль "Подготовка данных" предназначен для добавления новой информации в базу данных.

Модуль «Вероятность» позволяет провести оценку вероятности проявления сильных землетрясений в отдельных районах в заданный период времени в будущем, используя распределение Пуассона (подробное описание в главе 4).

Модуль «Миграция» предназначен для изучения явления миграции землетрясений путем подсчета выделившейся сейсмической энергии с помощью пространственных и временных окон; построения пространственно-временных диаграмм; выделения миграционных треков методами кластерного и регрессионного анализа; вычисления скоростей миграции (подробное описание в главе 3).

Выводы. Разработанная ГИС "Prediction" позволяет более успешно визуализировать динамику развития сейсмического процесса и использовать для его изучения различные статистические методы, ориентированные на выявление критериев подготовки очагов землетрясений в пределах БРЗ. С таких позиций создается основа для совершенствования методов средне- и долгосрочного видов прогноза землетрясений.

ГЛАВА 3. Изучение процессов пространственно-временной миграции землетрясений в БРЗ, сопредельных районах Центральной Азии и Тихоокеанском сейсмическом поясе

Под миграцией эпицентров землетрясений понимается наличие статистически значимой пространственно-временной упорядоченности сейсмических событий в рассматриваемом регионе. В данном случае предполагалось, что структуры Байкальского рифта можно рассматривать как единую зону крупномасштабной еструкции в литосфере Центральной Азии, развивающуюся на протяжении порядка 30 млн. лет (Ружич, 1997).

Кратко алгоритм получения параметров миграции может быть представлен в следующем виде:

1. Для удобства расчетов БРЗ представляется полосой заданной ширины, вытянутой с юго-запада на северо-восток. Центральная линия этой полосы задается координатами ее начальной (50° с.ш. и 98° в.д.) и конечной (58° с.ш. и 122° в.д.) точек.

2. Представляющая БРЗ полоса разбита на прямоугольные области со сторонами, перпендикулярными центральной линии и имеющими вдоль нее заданную протяженность.

3. За любой выбранный промежуток времени суммируется энергия землетрясений, произошедших в каждой такой области, в результате чего получаются ряды - зависимость выделившейся сейсмической энергии от расстояния от начальной точки в заданный интервал времени. Ввиду сложности рассматриваемой проблемы задача была несколько скорректирована: вместо миграции эпицентров конкретных землетрясений рассматривается миграция областей максимального или минимального значений выделившейся сейсмической энергии, т.е. максимумов/минимумов вышеупомянутых временных рядов.

4. Но для исследования явления миграции необходимо рассмотреть развитие этого процесса во времени. Т.е. представить выделившуюся сейсмическую энергию Е в рассматриваемой зоне в виде функции двух переменных:

Е = А[г,г), (3-1)

где г - расстояние от начальной точки вдоль центральной линии зоны, а I - время. Обе переменные изменяются дискретно с заданным шагом.

5. Графическим выражением такой функции является поверхность, но для удобства проведения дальнейшего анализа были построены сечение рассматриваемой поверхности плоскостью К=12 и ее проекция на плоскость расстояния-времени.

6. Для последующего рассмотрения пространственно-временных диаграмм использовалось сочетание кластерного и регрессионного анализов. Известно, что в статистических исследованиях группировка данных является основным приемом решения задачи классификации, и решается она следующим образом: из множества признаков, описывающих объект, отбирается один, наиболее информативный, с точки зрения исследователя, и производится группировка данных в соответствии со значениями этого признака. Полученные в результате разбиения группы обычно называются кластерами. В нашем случае критерием для выделения кластеров служила группировка элементов диаграммы в областях, простирающихся с юго-запада на северо-восток и повторяющихся с некоторой временной периодичностью. Цепочки элементов, соответствующих этому критерию, сначала выделялись чисто визуально.

7. Дальше конкретные элементы добавлялись в тот или иной кластер по признаку близости их расположения к первоначальной цепочке. При дальнейшей обработке не учитывались различия в энергетических классах отдельных ячеек, но каждая из них рассматривалась только как точка на плоскости пространство-время.

8. Для совокупности точек, входящих в соответствующий кластер, строилась линейная регрессия

Г=аХ+Ь, (3-2)

где х - расстояние в км, у - время в годах, а, Ь - коэффициенты.

9. Скорость миграции для данного кластера, вычислялась по формуле

У--, (3-3)

Для трех выделенных по диаграмме кластеров вычисленные скорости миграции составляют: I - 70.92, И - 82.64, III - 116.28 км/год.

При анализе пространственно-временной диаграммы можно видеть, что интервал времени между окончанием линий миграции, соответствующих первому и второму кластерам, составляет 11.58 года, а между линиями второго и третьего кластеров - 11.94 года. Периодичность землетрясений в БРЗ отмечается многими исследователями (Чипизубов,1993; Леви, 1997; и др.), и в числе других гармоник выделяется также 11-летний цикл, что связывается с циклом солнечной активности (Любушин, Писаренко, Ружич и др., 1998). Можно предположить, что миграция сейсмической активности вдоль БРЗ и периодичность землетрясений в ней -это проявление одних и тех же закономерностей. В таком случае получение периода повторений кластеров миграции, равного =11 годам, служит еще одним доказательством влияния цикла солнечной активности на сейсмический процесс.

Таким образом, при рассмотрении миграции землетрясений на пространственно-временной матрице можно выделить несколько кулисообразно расположенных треков, по которым можно оценить периодичность вспышек сейсмических активизаций длительностью ~11 лет. Средняя скорость миграции эпицентров землетрясений с указанной энергией составляет 90±20 км/год. При этом она снижается в «спокойный» период (1963-1988 гг.) и возрастает в период сейсмической активности (с 1988 г. по настоящее время), когда чаще происходят сильные землетрясения. Изучение закономерностей миграции землетрясений в пределах рассматриваемой области приводит к выводу о том, что наблюдаемое возвратно-поступательное распространение волн сейсмомиграции можно объяснить квазипериодическим продвижением деформационных фронтов в земной коре с юго-запада на северо-восток, т.е. со стороны Индо-Евразийской коллизионной области.

Подобная вышеописанной методика применялась для изучения явления миграции сейсмической активности на других территориях Азии: Памиро-Байкальский сегмент (средняя скорость 124 км/год, выделены три трека, скорости по которым составляют соответственно 111, 149 и 113 км/год), Гималаи - Восточно-китайская РЗ (средняя скорость 68 км/год, также три трека со скоростями 77,49 и 79 км/год), часть Тихоокеанского сейсмического пояса (выделен один трек, скорость 70 км/год). Кроме выделенных треков в направлении с юго-запада на северо-восток (назовем их «прямыми»), на представленных диаграммах можно также усмотреть и треки противоположного направления - с северо-востока на юго-запад («обратные»). Оценки скоростей миграции по этим трекам проводились аналогичным способом и составляют для БРЗ - 64 и 60 км/год, для района БРЗ-Гималаи -163, 147 и 171 км/год, для района Гималаи-китайские РЗ - 107 и 137 км/год, а для юго-восточной Азии - 178 и 110 км/год соответственно.

Как показывает анализ сейсмического режима в БРЗ и других регионах, в его проявлениях выделяются гармоники квазицикличности с длительностью временных интервалов от 3 месяцев, до 1 года, 11, 45, 90-100 лет и более. Такая высокочастотная цикличность не выявлена для мантийных процессов. Зато подобные высокочастотные для геологических процессов гармоники выделяются многими учеными в ротационном режиме Земли, в солнечной активности и в процессах гравитационного взаимодействия Земли, Луны и Солнца. Отсюда вытекает важный вывод о причинной связи миграции землетрясений, как, впрочем, и деструкции твер-

дых оболочек Земли, с планетарными и космогенными деформационно-волновыми явлениями.

Выводы. Использование ГИС «Prediction» позволило на более детальном уровне изучить явление миграции землетрясений с помощью построения пространственно-временных диаграмм и оценить скоростные режимы этого процесса в разных регионах. Для БРЗ и других районов Азии установлено наличие северовосточных и более слабых обратных, т.е. юго-западных, направлений миграции землетрясений. Эта особенность подчеркивает деформационно-волновой механизм возбуждения сейсмомиграционных процессов в разломах и на межплитных границах.

ГЛАВА 4. Применение ГИС для среднесрочного прогноза землетрясений в БРЗ

При разработке авторской геоинформационной системы "Prediction" с целью применения ее для среднесрочного прогноза землетрясений использовалась методика прогноза, разрабатываемая в течение многих лет д.г-м.н. В.В. Ружичем при постоянном участии диссертанта (Ружич, 1997; Ружич, Левина, 1997; и др.). Главной ее особенностью является учет не только сейсмологических, но также геофизических и геологических факторов, влияющих на развитие очагов землетрясений. На основе современных представлений о приуроченности эпицентров большинства сильных землетрясений к определенным геологическим структурам, в первую очередь к активным разломам, на изучаемой территории выявляются области, потенциально опасные в сейсмическом отношении, то есть те, где сильные землетрясения случались раньше, либо имеющие с последними сходное геологическое строение и режимы активности. Все дальнейшие исследования ведутся только для этих выбранных опасных областей и основываются на анализе потока сейсмических событий.

Разработанная диссертантом геоинформационная система "Prediction" использует метод распознавания образов: в потоке сейсмических событий ищутся ситуации, которые могут быть предвестниками землетрясения и содержат указание на его возможные место, время и энергию.

Используемыми предвестниками являются: сейсмическое «пятно» (СП) -размеры, потенциал; сейсмическая «брешь» (СБ) - размеры, потенциал, время появления; изменение количества землетрясений (N); изменение энерговыделения (log Е); значение наклона графика повторяемости; периодичность; наличие большого контраста между шах и min значениями Е, N, СБ и СП; наличие кольцевой миграции эпицентров в районе подготовки землетрясения.

Методика и реализующий ее пакет компьютерных программ являются экспертной системой, т. е. выражают прогноз в системе параметров, оцениваемых экспертами. На выходе получается список районов, в которых на период прогноза ожидаются землетрясения, с указанием возможной силы последних. Схема алгоритма прогноза землетрясений с помощью ГИС «Prediction» показана на рис. 4-1.

Карта землетрясений за период ожидания 1999-2050 гг.

Предварительным результатом реализации рассмотренного прогностического подхода является карта потенциально сейсмоопасных районов Южного Прибайкалья, Восточного Саяна и Прихубсугулья, составленная в конце декабря 1999 года. Анализ результатов за прошедшие с тех пор 11 лет показан в таблице 4-1.

Таблица 4-1

Расчёт реализации прогноза места событий с 2000 по 2010 гг.

В цель На границе Удалены

10 15 10

28,6% 42,8% 28,6%

71,4% 28,6%

Эпицентры 10 землетрясений совпали с зоной ожидания, т.е. попали в цель. Столько же землетрясений удалены от ожидаемого места событий на расстояние от 5 до 55 км (погрешность карты 5-10 км). 15 землетрясений реализовались на границе ожидаемой зоны.

Поскольку к оправдавшим ожидания можно отнести и землетрясения, произошедшие на границе овала, то реализация прогноза места землетрясений составляет 71,4%. Заметим также, что в 1999 г. членом-корреспондентом РАН, директором Института сейсмологии РАН Г.А. Соболевым составлена карта для'территории Российской Федерации с указанием мест, где в ближайшие 50 лет можно ожидать сильные землетрясения; в нее включена и составленная нами по рассмотренной методике Карта прогноза землетрясений для территории Прибайкалья. В этой главе также иллюстрируются возможности применения ГИС «Prediction» для прогноза землетрясений на примерах Култукского (Прибайкалье, 2008) и Сен-дайского (Япония, 2011) землетрясений.

Оценка вероятности возникновения землетрясений в БРЗ При оценке сейсмической опасности, как правило, возникает необходимость оценить вероятность проявления сильных землетрясений в отдельных районах в заданный период времени в будущем. Модуль «Вероятность» ГИС «Prediction» позволяет произвести такую оценку, используя распределение Пуассона по формуле (Epstein and Lomnitz, 1966):

= (4-1)

где р(п) - вероятность того, что п сильных землетрясений произойдут в заданный промежуток времени; X - среднее количество сильных землетрясений в единицу времени, т.е. параметр повторяемости землетрясений. Вероятность, по крайней мере, одного сильного землетрясения вычисляется по формуле:

Р =р(1) + р(2)+... = / -р(0) . (4-2)

Итоговая оценка приведена в таблице 4-2, она используется в качестве ориентира при долгосрочном прогнозе землетрясений и оценках сейсмического риска, что важно при выяснении уровня сейсмической опасности в пределах конкретного региона и принятии различного рода инженерных решений.

: Выбор параметров

(райси. период времени, лиагшо

р 1 П р € у L 1 1 I n II

НоЛучслис значещй иредвестааков

Концентращвдн-

ньшжртерий

разрушения

Изменение количества

Параметры миграции

Изменение угла наклона

Пята, бреши

Изменение энергии

Изменение ККР

Периодичность

Выбор модели Вычисление изо-

сейст

Количсегво землегрясеюгй

Выделившаяся сий&и-ческая энергия

График новто-рясмосги

Построение icapj

- 'мшиентры s&see'TpacaMJKfi

- изолиний злериш

- раз ¡омы

Формирование рядов и построение ______ графиков

Опенки вероятной1

Рис. 4-1. Алгоритм прогноза землетрясений с использованием ГИС «Prediction»,

Таблица 4-2

Количество значительных и сильных землетрясений в БРЗ и оценка их вероятности согласно распределению Пуассона

Класс Количество со- Вероятность (Р) хотя бы Произошло собы-

бытий за 50 лет одного события за 10 лет тий за ] 0 лет

(1950-2000) (2001-2010) (2001-2010)

13 68 1.00 24

14 33 0.99 8

15 9 0.83 3

16 2 0.33 0

17 1 0.18 0

Прогноз интенсивности сейсмических сотрясений при землетрясениях

На практике, кроме стандартных параметров прогноза - места, времени и энергии потенциального сильного землетрясения, важно заблаговременно знать, как распределится на местности интенсивность его вибрационного воздействия. В ГИС «Prediction» возможность получения такого распределения реализована в модуле «Изосейсты». Для настройки модуля необходимы «тестовые», т.е. реально изученные при макросейсмическом обследовании землетрясения, для которых известно поле распределения интенсивности колебаний в различных местах на разных удалениях от эпицентра. С их помощью опытным путем подбираются подходящие для этой местности коэффициенты спадания балльности в зависимости от расстояния и направления. В качестве закона спадания балльности используются дзе формулы: экспонента

У = Леь- , (4-3)

где А - балл в эпицентре, Y - балл в точке, находящейся на расстоянии х от эпицентра, b - задаваемый коэффициент, и формула Шебалина:

Y = bM-v lg,/(*2 +Л2) + с, (4-4)

где Y - балл в точке, находящейся на расстоянии х от эпицентра, h - глубина гипоцентра, М - балл в эпицентре, b, v и с - задаваемые коэффициенты. В диссертации более подробно рассмотрены возможности ГИС в построении изо-сейст интенсивности воздействия сейсмического события на примере Култукского землетрясения 27 августа 2008 г.

Периодичности в сейсмическом процессе

Для изучения периодичностей в сейсмическом процессе в модуле «Прогноз» ГИС "Prediction" предусмотрена возможность задания «режима накопления» - построения временного ряда путем получения суммарных значений количества землетрясений или выделившейся сейсмической энергии в одни и те же интервалы времени в рамках заданного периода. Применение этого метода для прояснения вопроса о сезонной цикличности во времени проявления землетрясений с учетом статистики за многие десятки лет показывает, что в течение года в сейсмическом режиме БРЗ наблюдается три активных периода - декабрь-январь, апрель-май и июль-август, причем если по энергии максимум имеет место в апреле, то по коли-

честву землетрясений - в декабре. В отдельные годы случаются отклонения от этой закономерности, но общая тенденция статистически значима.

В заключение отметим, что полностью формализовать и оценить даже основные параметры подготовки очагов землетрясений с приемлемой точностью в ближайшие годы вряд ли возможно. Соответственно, часть решений по прогнозу землетрясений приходится принимать с применением экспертного подхода (т.е. мнения специалистов), который окончательно интерпретирует всю совокупность выявленных параметров сейсмического режима.

Выводы. Использование ГИС «Prédiction» позволяет проводить мониторинг сейсмической обстановки и осуществлять как среднесрочный (месяцы), так и долгосрочный (годы/десятилетия) прогноз землетрясений для любого района при наличии необходимой сейсмологической информации. На сегодняшний день достоверность такого прогноза для применения в БРЗ составляет около 70%. Применение ГИС-технологий позволило усовершенствовать методы среднесрочного прогноза землетрясений в Прибайкалье и повысить оперативность выдачи результата.

ГЛАВА 5. Использование ГИС «Prédiction» для прогноза горных ударов

Как известно, если землетрясения тектонической природы инициируются естественными факторами, то горно-тектонические удары возникают в процессе провоцирующих техногенных воздействий на высоконапряженный породный массив. Как и в прогнозе тектонических землетрясений, для прогнозирования горнотектонических ударов также требуется предсказание их энергии и мест возникновения. Однако понятие среднесрочного прогноза землетрясений в отношении горных ударов не однозначно и, скорее всего, соответствует длительности периодов ожидания в сутки-недели.

Проведенный анализ параметров горных ударов позволил выявить следующие критерии приближения сильного горно-тектонического удара: нарастание численности сейсмических событий и появление более сильных толчков, что отражается в виде уменьшения значений концентрационного критерия и угла графиков повторяемости, проявления фаз затишья вблизи очага готовящегося сильного события и после него, сейсмомиграционные явления.

В итоге для рассмотренного месторождения установлен характерный набор критериев сходных с выделенными для БРЗ. Отмечено, что он перекликается с известным набором предвестников, выявленных многими другими специалистами (Куксенко, 1987; Козырев и др., 1994; Завьялов, 2003; Герман, Мансуров, 2005; Опарин, Тапсиев, Востриков и др., 2005; и др.). Это отчетливо проявилось на примере подготовки очага произошедшего 21.08.2005 г. сильного горного удара Е=1.4 • 10 3 Дж. Как показало обследование, его расположение приурочено к одному из подрабатываемых целиков на глубине - 815 м. Подобных примеров техногенной инициации горных ударов можно привести множество, изучая материалы, изложенные в отечественных и зарубежных публикациях по теме (Петухов и др., 1997; Курленя, Опарин, 1990; Сейсмичность при горных работах, 2002; и др.).

Алгоритм прогноза горных ударов в целом аналогичен описанному в главе 4 алгоритму прогноза землетрясений и кратко может быть представлен в следующем виде: использование каталога событий; выбор параметров; построение карт с разломами, эпицентрами или изолиниями плотности выделившейся энергии; по-

16

строение вертикальных разрезов с гипоцентрами ударов; формирование рядов и построение графиков изменения количества толчков, сейсмической энергии, изменения концентрационного критерия разрушения, повторяемости событий; экспертная оценка полученных параметров и выделение потенциально сейсмоопас-ных участков.

Таким образом, применение разработанного модуля ГИС «Prediction», адаптированного для изучения сейсмического режима Норильского рудника, позволяет анализировать его вариации, изучать источники сейсмической активизации, оценивать роль режима техногенных воздействий. В работе также рассматриваются вопросы прогноза горных ударов, точнее - ожидаемых последствий горнопроходческих работ при учете выбранной технологии. Рассмотренный модуль представлен и используется в Институте горного дела СО РАН (г. Новосибирск) для мониторинга и разработки мер по обеспечению сейсмобезопасности работы Норильского рудного поля (Ружич, Левина, Востриков, 2009).

Выводы. Применение ГИС «Prediction позволяет успешно анализировать вариации режима горных ударов, изучать источники сейсмической активизации и причины их возникновения, а также решать задачи прогноза. Однако, при прогнозе горных ударов маловероятно получение надежных результатов без учета режимов и различных способов проходки горных выработок. Рассмотренный модуль "Prediction" может служить инструментом, позволяющим оперативно оценивать последствия техногенных воздействий и корректировать их режимы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная геоинформационная система "Prediction" ориентирована на применение специалистами, занимающимися проблемами изучения сейсмических режимов, вопросами обоснования сейсмической опасности конкретных территорий и средне-долгосрочного вероятностного прогноза землетрясений. Использование ГИС "Prediction" позволяет уже в настоящее время осуществлять на удовлетворительном уровне среднесрочный прогноз в пределах БРЗ и своевременно получать данные о проявлении признаков подготовки умеренных и сильных землетрясений энергетического уровня М>4.5.

Практической реализацией такого прогноза являются сейсмопрогностические сводки, передаваемые в центр мониторинга и прогнозирования ГУ МЧС Иркутской области. На более протяженный временной интервал 1999-2050 гг. составлена «Карта потенциальных землетрясений», где указано местоположение ожидаемых очагов землетрясений с магнитудой 5.0 - 7.6. Оценка реализации среднесрочного прогноза, по результатам уже прошедшего с момента составления карты десятилетия, показывает, что его эффективность составляет около 70%.

С использованием ГИС "Prediction" разработан новый подход к выявлению признаков подготовки сильных горных ударов. Обоснованы рекомендации по усовершенствованию их прогноза за счет привлечения сведений о масштабах и энергиях техногенных воздействий в пределах разрабатываемых породных массивов. Возможности модуля делают его полезным для контроля последствий этих воздействия и выбора оптимальных режимов проходки выработок для снижения инженерного риска.

С помощью ГИС "Prediction" установлены новые значения параметров процесса миграции сейсмической активности в БРЗ и ряде других районов Азии. Изучение режимов миграции землетрясений в БРЗ позволило уже сейчас использовать его результаты для улучшения среднесрочного прогноза места и времени возникновения землетрясений в Прибайкалье.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК

1. Ружич В.В., Левина Е.А., Писаренко В.Ф., Любушин A.A. Статистическая оценка максимальной возможной магнитуды землетрясения для Байкальской риф-товой зоны // Геология и геофизика. - 1998. - Т. 39. - № 10. - С. 1443-1455.

2. Ружич В.В., Левина Е.А., Востриков В.И. К проблеме прогноза горных ударов в подземных горных выработках, пройденных месторождениях полезных ископаемых // Известия Сибирского отделения. Секция наук о Земле РАЕН. № 2(35). С 113-125.

3. Добрецов Н.Л., Ружич В.В., Псахье С.Г., Черных E.H., Шилько Е.В., Левина Е.А., Пономарева Е.И. О совершенствовании способов прогноза землетрясений средствами физического моделирования в ледовом покрове Байкала // Физическая мезомеханика. 2011, Т. 14. С. 69-79.

Научные статьи, опубликованные в других журналах и изданиях

4. Ружич В.В., Левина Е.А. Проблемы прогноза землетрясений в Южном Прибайкалье: современное состояние и перспективы // Проблемы оценки и прогноза устойчивости геологической среды г. Иркутска: Сб. трудов первой научно-практической конференции. - Иркутск: 1997. - С. 170-175.

5. Ruzhitch V.V., Buddo V.Yu. and Levina Е.А. Seismoactive mesostructures of Eurasia and Baikal rift zone. - V International Conference "Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies". August 4-6, 1997. Baikal Lake, Russia. - Abstracts. - Tomsk: 1997. - P. 49.

6. Соболев Г.А., Писаренко В.Ф., Уломов В.И., ... Ружич В.В., Левина Е.А. и др. Катастрофические процессы и их влияние на природную среду: Т. 2. Сейсмичность / Под ред. ак. Н. П. Лаверова - М.: 2002. - 506 с.

7. Ружич В.В., Левина Е.А., Смекалин О.П. О возможном сценарии развития сейсмического процесса в Байкальской рифтовой зоне и Восточном Саяне в 19942050 годах // Сейсмологический мониторинг в Сибири и на Дальнем Востоке (100-летие сейсмической станции «Иркутск»). - Иркутск: Арт-пресс, 2002. - С. 83-98.

8. Ружич В.В., Левина Е.А. Программный пакет для оперативного построения карт изосейст прогнозируемых или только что произошедших землетрясений // Оценка и управление природными рисками. Материалы Всероссийской конференции «Риск - 2003». - М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 2003. -T.I.-C. 243-245.

9. Левина Е.А., Ружич В.В. Новое программное обеспечение для анализа сейсмического режима и разработки среднесрочного прогноза землетрясений // Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии. Вьш. 3. - Иркутск: ИЗК СО РАН, 2005. - С. 204-207.

10. Ружич В.В., Дугармаа Т., Левина Е.А. Опыт прогнозирования изменения сейсмической погоды в Прибайкалье и Северной Монголии // Труды V Российско-Монгольской конференции по астрономии и геофизике. - Иркутск: ИС-ЗФ СО РАН, 2005.-С. 47-49.

11. Levina Е.А. Program Package "Prediction" intended at seismic regime analysis and medium-term earthquake prediction // Proceedings of the conference commemorating the 50th anniversary of the 1957 Gobi-Altay earthguake (25 july - 8 august, 2007, Ulaan-baatar, Mongolia): 2007. - Pp. 120-121.

12. Левина E.A., Ружич B.B. Миграция землетрясений как проявление волновых деформаций твердой оболочки Земли // Триггерные эффекты в геосистемах: материалы Всероссийского семинара-совещания. М.: ГЕОС, 2010. С. 71-78.

13. Левина Е.А., Ружич В.В. Разномасштабная миграция землетрясений как проявление инициированного энергопотока при волновых деформациях литосферы Земли // Триггерные эффекты в геосистемах. Тез. докл. семинара-совещания М.: ИДГ РАН, 2010. С. 53-54.

14. Ружич В.В., Востриков В.И., Левина Е.А. Использование опыта среднесрочного прогноза землетрясений в Прибайкалье для борьбы с горными ударами // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Труды научной конференции с участием иностранных ученых. Новосибирск: ИГД СО РАН, 2008. С. 407-412.

15. Ружич В.В., Левина Е.А. О сейсмопрогностическом изучении землетрясений и горных ударов в Восточной Сибири // Разломообразование и сейсмичность в литосфере: тектонофизические концепции и следствия. Материалы Всероссийского совещания. В 2-х томах. Иркутск, ИЗК СО РАН, 2009. Т. 1. С. 18-19.

16. Ружич В.В., Левина Е.А., Пономарева Е.И. Опыт сейсмопрогностических исследований в Байкальской рифтовой зоне в 1994-2010 гг. Материалы одиннадцатого всероссийского семинара «Геодинамика, геомеханика и геофизика» п. Новый Энхалук, Республика Бурятия, 25-31 июля 2011 г.

Подписано в печать 22.11.11. Формат 60x80 1/16. Бумага писчая белая. Печать RIZO. Усл.печ л. 1.2. Отпечатано в типографии Института Земной Коры, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 128 Тираж 100 экз. Заказ № 820

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Левина, Елена Алексеевна

Введение

Глава 1 Современное состояние проблемы прогноза землетрясений.

Глава 2 Специализированная геоинформационная система Prediction" для изучения сейсмического режима.

Глава 3 Изучение процессов пространственно-временной миграции землетрясений в БРЗ, сопредельных районах Центральной Азии и

Тихоокеанском сейсмическом поясе.

Глава 4 Применение ГИС для среднесрочного прогноза землетрясений в БРЗ.

Глава 5 Использование ГИС «Prediction» для прогноза горных ударов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геоинформационная система для прогноза землетрясений и горных ударов: разработка и примеры применения в Байкальской рифтовой зоне и Норильском месторождении"

В диссертационной работе " Геоинформационная система для прогноза землетрясений и горных ударов: разработка и примеры применения в Байкальской рифтовой зоне и Норильском месторождении" изложены результаты исследований автора, выполненных в 1995-2010 гг. и посвященных разработке программного обеспечения и математическому анализу в задачах изучения сейсмического процесса, прогноза и миграции землетрясений на территории Байкальской рифтовой зоны. Эти результаты нашли применение также в исследованиях, по снижению риска горных ударов в'глубоких горных выработках на примере Норильского месторождения полиметаллов.

Актуальность исследований

Борьба человечества с последствиями сильных и катастрофических землетрясений ведется на протяжении всей его истории, и до» настоящего времени- успехи на этом поприще достаточно скромные. Это объясняется сложностью и труднодоступностью для изучения глубинных явлений деформирования» верхней оболочки Земли, в которой протекает сейсмический процесс.

Одним из способов борьбы с последствиями землетрясений является прогноз: долгосрочный, среднесрочный, и краткосрочный. Однако последний вид прогноза -краткосрочный, несмотря на усилия нескольких поколений исследователей, остается пока недостижимой целью, высказываются даже сомнения в его принципиальной возможности. Сложившаяся« ситуация серьезно осложняется отсутствием хорошо разработанной теории сейсмотектонической деструкции больших-объемов горных масс. Но в области разработки* методов средне- и долгосрочного прогноза землетрясений уже достигнуты определенные результаты (Соболев, 1993, 2004; Ружич, 1997; Пономарев, 2003; Завьялов, 2004; и др.). Методы решения задач такого вида прогноза при всем их разнообразии основываются, как правило, на компьютерной обработке больших массивов данных, прежде всего сейсмологических, в виде каталогов современных и исторических сейсмических событий. Значительное улучшение в изучении сейсмического процесса в пределах Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) и смежных с нею территорий для целей среднесрочного и долгосрочного видов прогноза землетрясений может быть достигнуто при совершенствовании алгоритмов обработки и анализа накопленной базы данных и создании моделей подготовки землетрясений.

При современной урбанизации и уровне развития производства общество остро нуждается в постоянном оперативном слежении за вариациями сейсмичности в том или ином регионе для того, чтобы можно было принять превентивные меры для снижения сейсмического риска. Отсюда следует необходимость совершенствования методов решения задач долго- и среднесрочного прогноза опасных землетрясений. Байкальская рифтовая зона является одним из сейсмоопасных районов нашей страны, и возможные землетрясения в ней способны нанести значительный ущерб территориям с высокой 5 плотностью населения и экологически опасными производственными сооружениями.

Цель и задачи исследований

Целью работы является создание специализированной геоинформационной системы (ГИС) для изучения пространственно-временных характеристик сейсмического режима и оперативного получения его параметров, пригодных для среднесрочного прогноза землетрясений и решения других, связанных с ним задач.

При подготовке работы автором решались следующие задачи:

- проектирование и создание базы сейсмологических и геологических данных;

- создание пакета программ для обработки и статистического анализа данных;

- изучение с помощью разработанной ГИС закономерностей миграции землетрясений в БРЗ и смежных регионах Юго-Восточной Азии;

- применение ГИС для получения средне- и долгосрочного прогноза землетрясений в пределах территории БРЗ;

- адаптация и использование методики прогноза землетрясений при анализе режимов горных ударов в глубоких подземных выработках на примере Норильского полиметаллического месторождения;

Методы исследований и' фактический материал

Для получения параметров сейсмического процесса, используемых для среднесрочного прогноза землетрясений, применялся метод распознавания образов. В разработанной ГИС используются разнообразные критерии прогноза землетрясений, в том числе и оригинальные. При изучении миграции эпицентральных полей землетрясений Байкальская рифтовая зона рассматривалась как длительно развивающаяся дизъюнктивная метасистема в Центрально-Азиатском сегменте Евразийской плиты. Учитывая тот факт, что Байкальский рифт является элементом планетарной тектонической системы, разработанная методика анализа сейсмических режимов и миграции землетрясений может использоваться для любого региона и для всей Земли в целом.

В качестве фактического материала использовался каталог землетрясений Байкальского филиала Геофизической службы СО РАН, а также каталог землетрясений по всему миру, полученный через Интернет (Advanced National Seismic System).

Защищаемые положения

1. ГИС «Prediction» на основе комплексирования программных модулей, разработанных на специализированных алгоритмах, оперативно оценивает набор и значимость критериев для прогнозирования в заданных интервалах времени параметров* места и энергии очагов землетрясений с М>4.5 применительно к геодинамическим условиям Байкальской рифтовой зоны.

2. Оценка скорости и направления „миграции локализованных областей сейсмической активности в пределах Байкальской рифтовой ¡зоны и сопредельных районов возможна на основе оптимального сочетания кластерного и регрессионного анализов, что обеспечивает выяснение механизмов сейсмомиграции и выявление критерия для прогноза места и времени проявления сейсмической активизации.

3. ГИС "Prediction" в предложенном варианте является универсальным инструментом для? решения, задач по прогнозированию и контролю как опасных природных сейсмических явлений в региональном масштабе, так и опасных сейсмогеодинамических событий, инициированных в горных выработках при подземной разработке полезных ископаемых.

Научная новизна работы и личный вклад автора;

В рамках решения; поставленных задач автором спроектирована и разработана специализированная ГИС: предложены математические методы, разработаны алгоритмы и компьютерные программы. Автор с 1994 года принимал активное участие в создании и совершенствовании пакета компьютерных программ для. обработки сейсмологических данных, их математического анализа и- интерпретации с целью более углубленного понимания,природы сейсмотектонических явлений. Полученные результаты послужили основой для разработки более совершенных методов средне- и долгосрочного прогноза землетрясений в Байкальской рифтовой зоне. Весь большой объем расчетов выполнен автором при разработке методов статистического анализа каталога сейсмических явлений в подземных горных выработках Норильского месторождения, что позволило с новых позиций подойти к прогнозу горных ударов и содействовало выработке новой стратегии снижения инженерно-сейсмического риска горно-разведочных работ.

Теоретическая и практическая ценность работы

Выполненные многолетние исследования автора привели к созданию оригинальной ГИС "Prediction", включающей модули для прогноза землетрясений, их миграции и прогноза горных ударов. Это послужило основой для более совершенного анализа сейсмотектонических процессов, протекающих в земной коре в пределах Байкальской рифтовой зоны и за ее пределами.

Выявление новых и малоизученных особенностей сейсмического режима в БРЗ, в частности, миграции землетрясений, способствовало расширению и углублению представлений о природе и механизмах подготовки очагов прибайкальских землетрясений, а также разработке сейсмогеологического подхода к средне- и долгосрочному прогнозу землетрясений, результаты которого используются органами МЧС и администрации Иркутской области.

Для анализа горных ударов применение ГИС "Prediction" позволило предложить и обосновать более совершенный подход к снижению сейсмического риска в глубоких подземных выработках. Эти результаты используются при разработке мер по снижению инженерно-сейсмического риска в районе Норильского месторождения.

По теме диссертации опубликовано 22 работы в журналах ( в том числе 3 — в рецензируемых), трудах совещаний и сборниках.

Заключение Диссертация по теме "Геоинформатика", Левина, Елена Алексеевна

Выводы. Использование ГИС «Prediction» позволяет проводить мониторинг сейсмической обстановки и осуществлять как среднесрочный (месяцы), так и долгосрочный (годы/десятилетия) прогноз землетрясений для любого района при наличии необходимой сейсмологической информации. На сегодняшний день достоверность такого прогноза, проверенная на примере БРЗ, составляет около 70%. Применение ГИС-технологий позволяет совершенствовать методы прогноза землетрясений и повышать их оперативность.

Глава 5; Использование ГИС «Prediction» для прогноза горных ударов

Как известно, целью прогнозирования горных ударов является предсказание их количества, энергии и мест возникновения в ближайшие часы, сутки, , недели или месяцы. Принято считать, что подобные прогнозы способны играть важную роль в оценке необходимости« применения мер: по снижению опасности .и ущерба в процессе горнопроходческой« деятельности. и повышению эффективности применяемых предупредительных мер. По мере неуклонного нарастания техногенного воздействия человека на геотектонические процессы в горнопромышленных районах значительно увеличивается и риск опасных инициированных геодинамических явлений, в частности^ горных ударов, возникающих в высоконапряженной геологической среде: Поэтому- возрастает и вероятность гибели персонала и больших экономических; потерь вплоть до: остановки или закрытия производств. Уже сейчас влияние человеческой деятельности приобрело масштабы экологической; угрозы, II для того, чтобы замедлить или остановить этот процесс, необходим поиск путей оптимального решения возникшей трудности. , ,

Тектоническое землетрясение, как спровоцированный' горно-тектонический: удар: есть следствие динамического высвобождения части; хранящейся в земной коре потенциальной упругой энергии, излучаемой;в виде волновых колебаний- при; быстром-смещении^ блоков горных пород по разрывным нарушениям. Очевидно, что; землетрясения тектонической природы инициируются естественными причинами, тогда как горно-тектонические удары возникают в результате человеческой деятельности, то есть провоцирующих .техногенных воздействий на высоконапряженный породный массив. Есть немало примеров, когда мощными подземными ядерными взрывами были спровоцированы сильные разрушительные землетрясения с М~5.0-6.5, а. химическими взрывами, созданием водохранилищ,. проходкой глубоких горных выработок - мощные горно-тектони ческие удары с М=2.0-5.0. При ядерных взрывах в зонах разломов, удаленных на сотни метров — первые километры» инициировались смещения с: амплитудами: до 1-4 м. При горных ударах амплитуды смещений? измеряются-первыми.десятками сантиметров; а интенсивность сейсмических сотрясений достигает значений 6-7 баллов по шкале М8К-64, что наносит большой экономический ущерб, может привести к гибели людей и даже к экологической катастрофе. ,

Главное, сходство между тектоническими землетрясениями и горными- ударами заключается в общности физических механизмов проявления сейсмических актов, что

100 также было подтверждено проведенным анализом при изучении условий возникновения горных ударов в Норильском шахтном поле, причины инициации горных ударов в большинстве своем связаны с проходкой горных выработок, перемещением больших объемов горных пород, взрывами, обводнением и другими технологическими мероприятиями. Именно выемка значительных объемов пород в наибольшей степени-ослабляет несущую способность массива и приводит к перераспределениям напряжений. Такая инициация наиболее вероятна и особенно неблагоприятна, если выработки проводятся в пределах или * вблизи крупных тектонических разломов, способных генерировать опасные сейсмические толчки (Ружич, Востриков, Левина, 2008; Ружич, Левина, Востриков, 2009; Ружич, Вос-триков, Левина, 2010; и др.). На'основе установленного сходства механизмов подготовки очагов землетрясений и горных ударов была предпринята попытка использовать для прогноза последних разработанную нами методику, которая описана в главе 4 и уже доказала свою полезность при прогнозе землетрясений. Вместе с этим углубленное изучение1 механизмов подготовки очагов горных ударов, расположенных на глубинах в первые километры, представляет значительный интерес и для получения прямых свидетельств о физике очагов» тектонических землетрясений с геологических позиций.

Предпринятое изучение режимов подготовки горных ударов,в ГИС «Prediction» потребовало значительной ее доработки, а именно модифицировать программный пакет для использования в новой области. Например, изменения формы каталога сейсмических событий низких значений энергетических классов; прямоугольной^ системы координат (в отличие от географических) и построения вертикальных разрезов (панелей), для трехмерного изображения объектов шахтного поля. Базовой основой разработки данного программного модуля был каталог горных ударов в Норильских рудниках Талнахско-Октябрьского месторождения!полиметаллов. Ниже представлены примеры проведенного анализа.

На рисунке 5-1 показано распределение зарегистрированных сейсмической станцией "Норильск" эпицентров горных ударов, зарегистрированных за период 1994-2007г., подавляющая часть которых располагается в районах проведения горнопроходческих работ, инициирующих эти события.

-341.0

-578.0

-815:0 о апЛОЗГ] о эо^ЗЗрА °°

-1052.0 о о О О и«* °

26274.0 26311.0 26348.0 26385.0 26422.0

Рис. 5-2. Вертикальное расположение гипоцентров горных ударов в районе концентрации напряжений в предохранительном целике ВЗС-ВСС рудника Октябрьский, где 21.08.2005 г. произошло событие, определяемое нами как главный горный удар. Крупным кружком со штрихами показано местоположение его гипоцентра. Справа размещены еще три гипоцентра других сильных толчков, возникших позднее.

На следующем рис. 5-3, приведен график высвобождения энергии горных ударов за 13 лет в пределах техногенного поля напряжений Норильского рудника.

Энершя. Норильске ш ирота31500.00-33500.00; до л гота:25000.00-28200.00)

Классы: 1-7. Период времени: 01.01.1994-19.11.2007 23:59:59. Интервал: 30.000 дней

Рис. 5-3. График выделения энергии горных ударов в Норильском руднике за 30-дневные интервалы. Обращает внимание рост выделения сейсмической энергии по

На данном рисунке видно, что перед событием имело место понижение сейсмической активности в течение 45 дней, что рассматривается как фактор тревоги. После события проявились умеренная афтершоковая активность и следующая за ней фаза затишья, когда на протяжении 1.5 месяцев в районе очага не фиксировались толчки с энергией более 100 Дж. Это свидетельствует о значительной релаксации горных пород в очаговой области, протяженность которой достигала около 110 м. Рассмотренная динамика очага обнаруживает сходство с режимами развития очагов тектонических землетрясений, что свидетельствует о том, что данное сейсмическое событие имеет горнотектонический механизм подготовки очага и соответствующей релаксации напряжений после него. Важно отметить, что инициация этого события является примером инициации при проходке горной выработки в опасном, т.е. высоконапряженном участке пластовой залежи в пределах породного массива. В приведенном примере обнаруживается сходство механизмов подготовки горного удара в августе 2005 года и землетрясений, фиксируемых, в частности, в Байкальской рифтовой зоне. Признаки снижения численности сейсмических событий и их энергетического уровня в виде затишья являются одним из важных критериев подготовки более сильного сейсмического события и для тектонических, и для наведенных, т.е. техногенных землетрясений, что следует учитывать при мониторинге сейсмического режима рудника.

Анализируя глубинное местоположение очага вышеупомянутого горного удара для выяснения причин его возникновения, целесообразно детально изучить особенности режима проходки подземной выработки, структурно-геологическое строение породного массива в данном месте и ряд других факторов, чтобы выяснить механизм и причины возникновения столь заметного события. При этом можно было бы, осуществляя мониторинг сейсмического режима в разных участках шахтного поля и оперативно анализируя его изменения! с применением ГИС «Prediction», заблаговременно, то есть за недели-сутки выявить потенциально опасный участок. Далее, исходя из сложившихся горнотехнических условий, скорректировать технологический режим проходки для минимизации ожидаемого ущерба или его предотвращения путем проведения мероприятий по разгрузке высоконапряженного массива горных пород. Отсюда понятно, что прогноз горных ударов не имеет большого смысла для борьбы с их последствиями, если не контролировать техногенные условия проходки горных выработок. Поэтому акцент в разработке мер по снижению инженерно-сейсмического риска следует изменить, то есть перенести не на прогноз горных ударов, а на их своевременное предотвращение или ослабление грамотными техногенными воздействиями, чему может способствовать использование ГИС «Prediction».

На основании проведенной обработки данных из каталога горных ударов и их анализа можно сделать следующие выводы.

1. Главная причина недостаточности успехов в прогнозе горных ударов заключается в том, что традиционный подход к нему основывается лишь на мониторинге сейсмического режима в разрабатываемом массиве горных пород и статистическом анализе каталога. При этом численными расчетами практически не учитываются такие факторы нарушения напряженно-деформированного состояния, как энергия и режимы таких инициирующих техногенных воздействий на породный массив как огромные объемы перемещенных масс горных пород, размеров горных выработок, их геометрии пространственного расположения по отношению к областям избыточной концентрации естественных тектонических напряжений, например, зон разломов.

2. Применение ГИС «Prediction», адаптированной для.изучения сейсмического режима Норильского рудника, позволяет не только анализировать его вариации, изучать I источники сейсмической активизации и причины их возникновения, решая задачи прогноза горных ударов. С его помощью можно выявлять места подготовки очагов горных ударов и контролировать в оперативном режиме их развитие за несколько дней или недель до реализации. Отсюда появляется возможность корректировать горнопроходческие мероприятия в, потенциально опасном месте для снижения риска вероятной реализации динамических явлений. Заметим, что разработанный модуль в рамках научного сотрудничества передан для применения в Институт горного дела СО РАН для разработки мер по обеспечению сейсмобезопасности работы в условиях Норильского месторождения.

3. Обоснована необходимость разработки более эффективных физических моделей подготовки геодинамических природных процессов при разработке полезных ископаемых. В виду того, что экспоненциально растет интенсивность человеческой деятельности в областях освоения подземных ресурсов на все больших глубинах, растет и инженерно-сейсмический риск. Для того, чтобы замедлить и снизить увеличение инженерно-сейсмического риска необходим поиск путей более оптимального решения возникшей проблемы по прогнозу горных ударов и разработке мер по их предотвращению, чему может способствовать применение и дальнейшее совершенствование рассмотренной ГИС "Prediction".

Заключение

Разработана геоинформационная система "Prediction", ориентированная на применение специалистами в области сейсмологии и сейсмогеологии, физики очага землетрясения, которые занимаются проблемами изучения сейсмических режимов, вопросами обоснования сейсмической опасности конкретных районов и средне-долгосрочного вероятностного прогноза землетрясений. Использование ГИС "Prediction" позволяет уже в настоящее время осуществлять на удовлетворительном уровне среднесрочный прогноз и своевременно получать данные о проявлении признаков подготовки землетрясений энергетического уровня М>4'.5.

Практической реализацией такого прогноза являются сводки, передаваемые в центр мониторинга и прогнозирования ГУ ГОЧС Иркутской области к началу каждого квартала. Кроме того на более протяженный временной интервал 19992050 гг. составлена «Карта потенциальных землетрясений», где указано местоположение ожидаемых очагов землетрясений с магнитудой 6.0 — 7.5. Оценка реализации среднесрочного прогноза по результатам уже прошедшего с момента составления карты десятилетия, показывает, что его эффективность составляет около 70%.

На основании адаптации ГИС "Prediction" разработан новый подход для выявления признаков подготовки* сильных горных ударов. При. этом удалось выявить решающую роль техногенных воздействий в виде взрывов, вибраций и горнопроходческих работ на режим подготовки очередных инициируемых горных ударов. Обоснованы рекомендации по улучшению их прогноза за счет привлечения сведений о масштабах и энергиях воздействий на геоструктурные элементы разрабатываемых породных массивов. Показано, что без этих сведений осуществлять среднесрочный прогноз горных ударов с приемлемой точностью невозможно.

С помощью ГИС выявлены некоторые закономерности миграции сейсмической активности в БРЗ и ряде других районов Азии. Изучение режимов миграции землетрясений в БРЗ позволяет уже сейчас использовать его результаты для улучшения среднесрочного прогноза места и времени возникновения будущих землетрясений в Прибайкалье.

Реализованный в ГИС "Prediction" метод изучения сейсмомиграционных процессов на разных масштабных уровнях помогает раскрывать новые возможности мониторинга не только сейсмичности, но и деформационных процессов в литосфере

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Левина, Елена Алексеевна, Иркутск

1. Барабанов В.Л., Гриневский А. О., Киссин И.Г., Милькис М.Р. Проявление деформационных волн в гидрогеологическом и сейсмическом режимах зоны Передового Копетдагского разлома // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. №5. С. 21-32.

2. Викулин A.B. Физика волнового сейсмического процесса. Петропавловск-Камчатский: КОМСП ГС РАН-КГПУ, 2003. 151 с.

3. Викулин A.B. Физика волнового сейсмического процесса // Природа. 1992. №7. С. 11-19.

4. Вилъкович Е.В., Губерман Ш.А., Кейлис-Борок В.И. Волны тектонических деформаций на крупных разломах // Докл. АН СССР. 1974. Т. 219. № 1. С. 77-80.

5. Вилъкович Е.В., Шнирман Н.Г. Волны миграции эпицентров (примеры и модели) // Математические модели строения Земли и прогноза землетрясений. М.: Наука, 1983. С. 27-37.

6. Гольдин C.B., Дядъков П.Г., Дашевский Ю.А. Стратегия прогноза землетрясений на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне // Геология и геофизика. -2001. -42. № 10"-С. 1484-1496.

7. Добрецов H.JI., Ружич В.В., Псахъе С Г, Черных Е Н., Шшъко Е.В., Левина Е.А. О совершенствовании способов прогноза землетрясений средствами физического моделирования в ледовом покрове Байкала // Физическая мезомеханика. 2011. (В печати)

8. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.:ИФЗ РАН, 1991.217 с.

9. Журков С.Н., Куксенко В С., Петров В.А. и др. К вопросу о прогнозировании разрушения горных пород // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1977. - № 6. - С. 11-18.

10. Завьялов А Д. Среднесрочный прогноз землетрясений по комплексуt ч признаков: основы, методика, реализация. Автореф. дисс. на соиск. уч.степ, доктора физ.-мат. наук. Mi: 2003. 55 с.

11. Завьялов А.Д., Славина Л.Б., Васильев В.Ю., Мячкин В.В. Методтка расчета карт ожидаемых землетрясений по комплексу прогностических признаков. М.: ОИФЗ РАН, 1995. - С. 1-40.

12. Ключевский A.B. Корреляция скорости потока землетрясений в литосфере Байкальской рифтовой зоны // Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса. От океана к континенту. Иркутск: ИЗК СО РАН, 2007. Т.1. С. 102-104.

13. Леей К.Г., Задонина Н.В., Бердникова Н.Е. и др. Современная геодинамика и гелиодинамика. 500-летняя хронология аномальных явлений в Сибири и Монголии. Книга 2. Иркутск: ИрГТУ, 2003. 383 с.

14. Леей КГ. Периодичность природных явлений в Прибайкалье и сейсмичность // Современная геодинамика и сейсмичность Байкальского рифта. Иркутск, 1997. С. 171-188.

15. Левина Е.А , Ружич В. В. Миграция землетрясений как проявление волновых деформаций твердой оболочки Земли // Триггерные эффекты в геосистемах: материалы Всероссийского семинара-совещания. М.: ГЕОС, 2010. С. 71-78.

16. Левина Е.А., Руэюич В.В. Разномасштабная миграция землетрясений как проявление инициированного энергопотока при волновых деформациях литосферы Земли // Триггерные эффекты в геосистемах. Тез. докл. семинара-совещания. М.: ИДГ РАН, 2010. С. 53-54.

17. Лобацкая P.M. Структурная зональность разломов. М.: Недра, 1987. 128 с.

18. Логачев H.A. Об историческом ядре Байкальской рифтовой зоны // Докл. АН РАН. 2001. Т. 376. № 4. С. 510-513.

19. Логачев H.A., Борняков С.А., Шерман С.И. О механизме формирования Байкальской рифтовой зоны по результатам физического моделирования // Доклады РАН. 2000. Т. 373. № 3. С. 388-390.

20. Любушин A.A., Писаренко В. Ф., Ружич В.В., Буддо В.Ю. Выделение периодичностей в сейсмическом режиме // Вулканология и сейсмология. 1998. № 1. С. 62-76.32,33,34,35,3637,38,39