Как предупредить внезапное разрушение плотины

Почему востребованы микросейсмические наблюдения, как с их помощью можно избежать железнодорожной катастрофы или обрушения монастыря и почему они особенно важны на Севере, рассказывает Галина Антоновская, заместитель директора по научной работе Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики УрО РАН, заведующая лабораторией сейсмологии, доктор технических наук.

— Галина Николаевна, чем ваша сейсмическая сеть отличается от всех остальных?

— Большая часть станций Архангельской сейсмической сети расположена на платформенной территории. Ее геологическая особенность — это большая мощность осадочного чехла: 3–5 км. Осадочный чехол — это тот слой, который лежит над фундаментом. Большая мощность осадочного чехла и ее динамика влияют на уровень микросейсмов. Это тот шум, который создается помимо внутренних процессов еще и внешними факторами, например жизнедеятельностью человека.

— Выходит, сейсмика — это не только землетрясения, но и такой шум?

— Да, и это тоже. «Человеческий шум», шум города, природы, дыхание моря, Земли — это тоже сейсмика, которая проявляется в различном уровне микросейсмического шума.

Как правило, сейсмические станции ставят на скале, на плотных горных породах, также сейсмологическое оборудование размещают в глубоких скважинах, как раз для минимизации микросейсмического шума. Мы ставим сейсмические станции на глубине четырех метров, но из-за большой мощности осадочного чехла уровень микросейсмов остается высоким, достаточно велико и поглощение колебаний от землетрясений, что затрудняет их выделение на сейсмических записях. Мы занимаемся сейсмическим мониторингом западного сектора Российской Арктики и севера Восточно-Европейской платформы. Землетрясения, происходящие на этих территориях, слабые, магнитуда в среднем 3,5. Территория огромная, большую часть занимает водная среда, сейсмические станции расположены на солидном расстоянии друг от друга, поэтому уровень микросейсмического шума в нашем случае имеет большое значение. Все это затрудняет выделение продольных и поперечных волн, четкость определения их времени вступления влияет на точность определения места произошедшего землетрясения.

Поэтому в нашем случае мы до сих пор ведем обработку «ручным способом». Мои сотрудники, занимающиеся обработкой,— это «снайперы» в области сейсмологии, их глаза могут распознать даже слабое землетрясение. Мы применяли различные программы по автоматическому выделению и локации землетрясений, но лучше человека в наших условиях пока ничего нет. В настоящее время мы занимаемся разработкой программы по идентификации сейсмических событий, которая учитывает наши региональные особенности и конфигурацию сейсмической сети.

— Зачем вообще нужно изучать слабые землетрясения? Ведь опасности это не представляет?

— Для человека, который проживает в северных регионах, землетрясения не представляют опасности. Мы занимаемся исследованием сейсмичности платформенных и шельфовых территорий с научной точки зрения.

К примеру, раньше считалось, что платформенные территории асейсмичны, землетрясений нет и быть не может, поэтому можно строить ответственные объекты, атомные станции например, протягивать многокилометровые линии нефтегазовых трубопроводов и т. д. Но когда начали проводить детальные исследования, ставить сейсмические станции, оказалось, что наши представления обманчивы.

Землетрясения происходят. Да, слабые, да, редко, в среднем это 1–3 балла. Но если такое землетрясение произойдет в непосредственной близости от ответственного объекта, то может произойти катастрофа.

Поэтому даже слабую сейсмичность учитывают при проектировании ответственных объектов. Данную информацию проектировщики закладывают в виде коэффициентов, производят динамические расчеты на подобные сотрясения и их частоту, что в результате сказывается на усиленном фундаменте, который способен выдержать такие подвижки.

— Что еще дают ваши исследования с научной точки зрения?

— На основе составленного нами сейсмического каталога за 1980–2019 годы с учетом данных Архангельской сейсмической сети мы доказали, что землетрясения, происходящие на северных шельфовых и платформенных территориях, связаны с геодинамикой срединно-океанических хребтов Арктической зоны. Это хребты Гаккеля, Книповича, Мона. Явление вызвано распространением тектонических напряжений, создающих дополнительную нагрузку в литосфере. Процесс называют деформационными волнами, или передачей возмущений. Эти процессы могут служить спусковым крючком, триггером сейсмичности. Возмущение перемещается и активизирует процесс выделения сейсмической энергии. В результате то один район становится более сейсмически активным, то другой.

На сейсмичность платформенных и шельфовых территорий, помимо таких факторов, как частичный сброс напряжений вследствие региональной геодинамики, постледниковая разгрузка, индуцированная сейсмичность, и ряда других, оказывает влияние и совместная деятельность арктических рифтовых структур. Мы выделили временные интервалы, за которые возмущения, создаваемые силами отталкивания в районах срединно-океанического хребта, могут достигать архипелага Новая Земля и северной окраины Восточно-Европейской платформы.

Кроме этого, мы занимаемся изучением глубинного строения земной коры и верхней мантии с использованием методологии P-S-приемных функций. Это один из самых современных и эффективных способов определения границ в коре и мантии и изучения переходных зон мантии по объемным волнам. Метод был разработан известным российским ученым Л. П. Винником.

Мы строим скоростные разрезы в местах установки сейсмических станций, что позволяет уточнить глубины залегания различных границ, характеризующих строение литосферы и мантии. Например, глубину залегания границы Мохоровичича — граница раздела между земной корой и верхней мантией, названной в честь ученого, впервые ее открывшего. Кроме того, можно строить скоростные разрезы до глубин 300–600 км, изучать распределение мантийных горизонтальных неоднородностей как в пределах отдельных тектонических регионов, так и при переходе от одного региона к другому — это важнейшая фундаментальная задача.

— Для чего это нужно?

— Северный Ледовитый океан молодой, существует несколько гипотез его образования. Поэтому исследование особенностей распределения мантийных неоднородностей позволяет получить представление о развитии современных геодинамических процессов.

Мы также регистрируем сейсмические события в районе Северного морского пути. В связи с государственными задачами по его освоению необходимо изучить, насколько проявление землетрясений опасно, какова природа сейсмических событий, насколько безопасно это для судов.

Например, ученые из Института океанологии имени Ширшова, проводя арктические научные экспедиции, выявили на шельфе арктических морей большое количество кратерообразных воронок и бугров пучения мелкого залегания, подобных тому, что были найдены на Ямале, но это на дне океана. Возможно, природа регистрируемых нами слабых событий на шельфе связана с выбросами газогидратов.

Известны случаи, когда суда тонули из-за лежащих на дне кратероподобных углублений — покмарков. Но чтобы понять, нет ли и здесь такой опасности, необходимо развивать сейсмические сети в Арктике.

Нам нужна Арктическая сейсмическая сеть. Информация — это страховка нашей безопасности.

— Что представляет собой ваша аппаратура?

— Это современнейшая аппаратура в мире сейсмологии — высокочувствительные широкополосные сейсмологические датчики канадского производства, разработанные для суровых климатических условий. В России подобного оборудования нет.

— Есть ли у вас какие-то свои методики?

— Если касаться классической сейсмологии, то здесь существуют давно разработанные методики по детектированию и локации землетрясений. Мы их адаптируем под наши региональные особенности. Наша основная сложность — это то, что сейсмические станции расположены на большом расстоянии друг от друга, что затрудняет выделение арктических землетрясений. Мои коллеги подобрали специальные фильтры, разработали методические подходы, повышая результативность сейсмологического мониторинга.

Но наша лаборатория занимается и другим видом исследований — мы ведем разработку сейсмических методов для обследования и мониторинга инженерных объектов и грунтов оснований. Это очень важное прикладное направление. Методики основаны на анализе динамической составляющей волнового поля — амплитуд микросейсмов, создаваемых самими инженерными объектами или при работе мощных электроустановок.

Наши методические приемы были отработаны на памятниках архитектуры, плотинах, высотных зданиях. Например, мы обследовали Соловецкий монастырь для оценки целостности объектов, выявления микротрещин.

Мы разрабатываем такие методики, которые позволяют выявить ослабленные места в теле объекта, которые визуально еще не проявились в виде трещин, разрывов, но нам уже понятно, что эта часть сооружения ослаблена и требует укрепления.

Например, можно проверить качество выполненных реставрационных работ.

— И как же Соловецкий монастырь себя чувствует?

— Исследования по отработке методических приемов и обследование состояния объектов Соловецкого монастыря мы проводили ежегодно с 2004 по 2010 год, показывая, какие места в сооружениях требуют укрепления. Но в прошлом году нас пригласили на Соловки по решению задач вибромониторинга. Шла реконструкция аэропорта, и встала задача оценить воздействие вибраций, создаваемых тяжелыми грузовиками, на состояние ряда архитектурных памятников. И мы увидели, что то, о чем мы десять лет назад говорили, не учтено. Все опять перестраивается — в частности, колокольня Соловецкого монастыря опять в лесах.

— Есть ли примеры, когда к вашим советам прислушиваются?

— Чаще, конечно, прислушиваются. Например, при строительстве нового храма в Сретенском монастыре в Москве мы оценивали уровень вибраций, создаваемый метрополитеном. Результаты были учтены при проектировании.

Другой пример: мы совместно с Институтом физики Земли РАН разработали систему мониторинга для Чиркейской ГЭС. В 2015 году она была смонтирована и введена в промышленную эксплуатацию. Здесь мы подошли нестандартно, чем вызвали возмущение, потому что подобные решения не прописаны в нормативах, где, в частности, говорится, что должны быть разные системы сейсмического мониторинга. Эта система подразумевает, что сейсмические датчики расположены в районе размещения плотины на разных уровнях, в галереях, на гребне плотины. Существует еще система мониторинга работы гидроагрегатов. По сути, все эти виды мониторинга анализируют одно волновое сейсмическое поле, но в разных диапазонах частот. Результаты мониторингов между собой никак не комплексируются, что нам кажется странным, поскольку на дворе XXI век. В век автоматизации и компьютеризации можно воедино свести все системы мониторинга и получить полноценный анализ, что и было нами сделано.

Подобное объединение систем мониторинга, применение современных технологий позволяет заблаговременно выявить ослабленные места в таком уникальнейшем и сложнейшем объекте, как плотина.

Существует возможность выявлять ослабленные места в теле плотины, комплексируя разные виды мониторинга, то есть можно заранее выявить вероятностные места разрушений и оценить степень их опасности. Мы пропагандируем тот факт, что современные компьютерные модели должны максимально полно отражать состояние объекта. Мы разработали такой способ.

— Знаю, вы еще и железными дорогами занимаетесь…

— В последние три года мы занимаемся разработкой сейсмической технологии по обследованию земляного полотна железной дороги с использованием низкочастотных вибраций, которые создают проходящие поезда. Это тоже очень интересная тематика, актуальность усовершенствования систем мониторинга связана с климатическими изменениями, с технологическими задачами на железнодорожном транспорте.

— Почему именно низкочастотная область?

— Дело в том, что все сейсмические методики, которые применяются при обследовании земляного полотна, анализируют колебания, создаваемые поездами в высокочастотной области,— выше 1 Гц и даже 5 Гц. А низкочастотную область не затрагивают никак. Анализируют кинематику волнового поля, а динамическую составляющую, в частности амплитуду виброколебаний, не вовлекают в анализ. И все обследования железной дороги дискретны, нет непрерывного мониторинга.

— Чем плохи для железных дорог эти частоты?

— Вибрации, создаваемые железнодорожным транспортом, являются дополнительной нагрузкой, которая приводит к уплотнению, проседанию земляного полотна, особенно эти процессы негативно сказываются на земляном полотне, расположенном в районах болот, многолетнемерзлых пород, если насыпь высокая — 10–15 м. Наблюдаются просадки земляного полотна, деформируются рельсы, и если не принять вовремя меры, то возникают аварии.

— А почему все существующие методы анализируют только высокочастотные колебания?

— Это связано с тем, что при разработке применяемых методик еще не существовало аппаратуры, способной зарегистрировать длиннопериодные колебания. В настоящее время разработаны широкополосные сейсмические датчики, мы их используем при регистрации землетрясений. Эту аппаратуру мы решили применить, когда проанализировали состояние вопроса. В результате мы увидели процессы, которые были известны только в теории, а теперь их можно наблюдать инструментально. В настоящее время мы занимаемся детальной проработкой технологии. Необходимо проанализировать вариации выделенных нами параметров на сезонные изменения, отработать границы применимости методики. Ведь универсального метода не существует, необходима комплексация различных методов для получения наиболее полной информации.

Важно, что, вовлекая в анализ амплитуды виброколебаний, можно выявлять изменения земляного полотна на ранней стадии, когда мы еще визуально не видим, что пошли деформации. Можно оценивать скорость деградации неблагоприятных участков, вести мониторинг состояния земляного полотна при различной грузоподъемности поездов. Те знания, которые мы получили при разработке способов обследования инженерных объектов, помогают нам продвигаться в этой области.

— Каким образом вы будете передавать всю эту информацию?

— Непрерывный мониторинг подразумевает, что имеется какой-то канал связи. Мобильная связь, как правило, доступна только вблизи населенных пунктов, а ставить спутниковую антенну у каждого пункта наблюдений нерентабельно. Тогда как же вести непрерывный мониторинг, когда у нас нет никакой связи? И мы придумали, что можно ставить мобильные устройства сбора и передачи данных на сами поезда. Это наше ноу-хау. Сейчас мы работаем над этим, но не буду пока раскрывать все секреты.

— Как думаете, получится ли эту идею внедрить?

— Надеюсь. Благодаря тому что у нас в регионе создан научно-образовательный центр «Российская Арктика», мы получили возможность разработки прототипа этого устройства. Сейчас находимся на этапе его тестирования.

— Замечательно! Почему у вас в лаборатории почти одни девушки, хотя во всем мире сейсмологи — это мужчины?

— Наверное, это российская особенность. Есть такая фраза: «Сильнее российских женщин могут быть только российские тракторы». А если серьезно, в нашей стране молодых людей, которые приходили бы в сейсмологию, в науку в целом, очень мало. Заработная плата оставляет желать лучшего, и нужно защитить как минимум кандидатскую диссертацию, чтобы получать достойную зарплату. А как же семья? Женщины же по природе более усидчивы, идут в науку, защищают диссертации и делают важное, полезное дело.

Беседу вела Наталия Лескова