WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ТАТЬКОВ Геннадий Иванович

ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 25.00.10 – геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Иркутск 2009

Работа выполнена в Геологическом институте Сибирского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Арефьев Сергей Сергеевич доктор геолого-минералогических наук Джурик Василий Ионович доктор геолого-минералогических наук Мороз Юрий Федорович.

Ведущая организация: Институт нефтяной геологии и геофизики СО РАН (г. Новосибирск)

Защита состоится “_15_” __ июня __2009 г. в _9__ часов на заседании диссертационного совета Д 003.022.02 при Институте земной коры СО РАН, по адресу 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова,128.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского научного центра СО РАН в здании ИЗК СО РАН.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю совета к. г.-м. н. Юрию Витальевичу Меньшагину, e-mail: men@crust.irk.ru

Автореферат разослан “____”____________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минералогических наук Меньшагин Ю.В.

ВВЕДЕНИЕ



Актуальность проблемы. Управление природными и техническими системами как регионального, так и локального уровней по критериям безопасности требует: разработки программного и нормативно-правового обеспечения; создания многопараметрических систем мониторинга; определения текущего состояния системы по специально разработанным индикационным показателям; выявления критических элементов и разработки мер по повышению уровня безопасности системы; выбора наиболее вероятного сценария ЧС, определяющего необходимость и последовательность тех или иных управленческих решений.

Возрастающая при приближении к времени ЧС эффективность отдельных мероприятий – создание аварийных запасов, обучение населения и др. – повышает актуальность исследований по среднесрочному и краткосрочному прогнозу геодинамической опасности. Среднесрочный прогноз невозможен без информации по разломно-блоковой структуре и прочностным неоднородностям среды, локализации областей деформаций, процессам переконцентрации напряжений и другим факторам, определяющим деструкцию как всего Байкальского рифта, так и отдельной сейсмоактивной зоны. Изменение трещиноватости горных пород в процессе подготовки коровых землетрясений является важнейшей характеристикой, проявляющейся в большинстве физических полей (сейсмическом, магнитном, электрическом и гравитационном, гидродеформационном).

Теоретически показано, что современные сейсмические методы в состоянии определять изменение напряженно-деформированного состояния среды по вариациям скоростных и поляризационных характеристик сейсмических волн, проходящих непосредственно через зоны трещиноватости – дилатансии (Алексеев, 1997; Гольдин, 2001). Тем не менее в многочисленных экспериментах в России и за рубежом по-прежнему, не обнаружены аномалии скоростных и поляризационных характеристик сейсмических волн, имеющих четко выраженную тектоническую природу, соответственно неизвестными остаются амплитуды и длительность во времени подобных вариаций (Николаев, 1990; Yushin et al., 1994; Глинский и др., 1999; Еманов и др., 1999).

Неудачи активного и пассивного геофизического мониторинга во многом обусловлены не только малыми скоростями накопления и релаксации сейсмотектонической энергии, сложными взаимосвязями измеряемых параметров между собой и состоянием наблюдаемых геосистем, но и сравнительно небольшой длительностью рядов, неразвитостью площадных сейсмонаблюдений, что в конечном итоге мешает выявлению нестационарностей сейсмического потока на низких энергетических уровнях, обнаружению отклонений от многолетних трендов в геофизических, геохимических и других полях – возможных пороговых индикаторов метастабильного развития очагового процесса. На Южно-Байкальском геодинамическом полигоне первоочередной интерес с учетом уже имеющейся инфраструктуры активного и пассивного сейсмониторинга и возможных социально-экономических последствий представляют активизировавшаяся Южно-Байкальская и с недавних пор перешедшая в метастабильное состояние Селенгинская сейсмогенерирующие зоны.

Несмотря на бесспорный прогресс технологий строительства, сильные и катастрофические землетрясения приводят к многочисленным повреждениям и обрушению считавшихся сейсмостойкими зданий. Натурными исследованиями колебаний сооружений при высоких уровнях динамических нагрузок занимались К.Суэхиро, Омори, Ватанабе, С.В.Медведев, С.В.Поляков, Г.А.Шапиро, Я.М.Айзенберг, Г.Г.Абашидзе, Т.Ж.Жунусов, А.М. Курзанов, Ю.А.Бержинский и др. Необходимость дальнейшей эксплуатации испытуемых зданий, ограниченный диапазон допустимых нагрузок и деформаций в этих экспериментах, потребность специальной подготовки и использования громоздкого оборудования делают натурные виброиспытания скорее уникальными, чем пригодными для накопления представительных экспериментальных данных. Восполнить дефицит информации можно не только развертыванием на зданиях-представителях сети инженерно-сейсмологических станций, но и организацией регулярного мониторинга их состояния после серии сильных и ощутимых землетрясений 1999–2008 гг. на Южном и Среднем Байкале.

Главный недостаток большинства известных инженерносейсмологических методик – единичное количество точек измерений, обеспечивающих лишь некоторую «среднюю», весьма приближенную оценку частот и амплитуд колебаний. Применение подобных методов измерений затрудняет верификацию сложных динамических моделей зданий. Бесспорное новаторство и главное преимущество метода стоячих волн (Еманов, 1997) – использование процедуры приведения записей микросейсм к единому времени, что позволило реализовывать плотные системы наблюдений и выполнять детальную дефектоскопию зданий с малоканальной аппаратурой. Несмотря на несомненные достоинства, первоначальная ориентация измерений исключительно на дефектоскопию по аномалиям амплитуд и частот регистрируемых микросейсм, потребовали адаптации метода с учетом потребности микродинамического мониторинга зданий-представителей, идентификации модальных форм, уточнения природы и прочностных характеристик выявленных динамических аномалий, верификации расчетных динамических моделей, определения остаточного ресурса сооружений в сейсмоопасных районах.

Цель работы – изучение изменений напряженно-деформированного состояния природных и технических систем методами комплексного геофизического мониторинга для обоснования превентивных мероприятий, направленных на обеспечение безопасности жизнедеятельности населения и хозяйственного комплекса Юго-Восточного Прибайкалья.

Задачи исследований:

1. Развитие и повышение представительности плотных систем активного и пассивного мониторинга за счет регистрации слабой местной сейсмичности и микроземлетрясений.

2. Уточнение по результатам многолетних наблюдений разломноблоковой структуры и реконструкция полей напряжений в сейсмогенерирующих зонах юго-восточной части Байкальской рифтовой зоны.

3. Анализ регионального сейсмологического каталога Прибайкалья и многолетних рядов геофизических наблюдений.

4. Апробация и оценка возможностей микродинамического модального способа (вибродефектоскопии) при натурных вибрационных исследованиях и мониторинге состояния зданий и сооружений.

5. Создание инструментальными методами базы данных по динамическим характеристикам основных типов застройки Прибайкалья, в том числе испытавших воздействие местных землетрясений.

Методы исследований и фактический материал. Основу работы составляют экспериментальные данные, полученные коллективом сотрудников лаборатории методов сейсмопрогноза ГИН СО РАН в 1992–2008 гг. под руководством и при непосредственном участии соискателя и в тесном содружестве с ИГФ, ГС, ИВМиМГ, ИЗК СО РАН.

В качестве первоочередного объекта детальных наблюдений за изменениями различных геофизических параметров выбрана Селенгинская и сопредельные к ней сейсмогенерирующие зоны, расположенные в координатах 51,5°–53,0° с.ш., 105,0°–108,0° в.д. Начиная с 1991 г. в результате целенаправленных усилий соискателя при поддержке органов местной власти, Президиума и институтов СО РАН была создана и оснащена сеть геофизического мониторинга (сейсмологического, тектономагнитного, атмогеохимического), проведены эксперименты по оценке возможности приема вибрационного сигнала на сети региональных и локальных сейсмологических наблюдений и организованы регулярные сеансы вибромониторинга в режимах монохромного и свип-излучения.

Совместные с ИЗК СО РАН эксперименты с вибрационным источником на зданиях-представителях серии 1.120с, достаточно широкий диапазон амплитуд вибрационного воздействия, значительное число циклов нагрузок, наличие пространственной системы инструментальных наблюдений до, в время и после эксперимента предоставило уникальный материал для оценки информативности микродинамического метода и изучения нелинейного поведения конструкций под динамической нагрузкой.

Детальные инструментальные исследования комплексом неразрушающих электромагнитных, сейсмических, акустических методов позволили создать базу данных динамических параметров и косейсмических деформаций жилых и общественных зданий различных типов застройки городских поселений Прибайкалья.

Основные защищаемые положения (результаты) 1. Проявления пространственно-временной нестационарности диссипативного процесса, наблюдаемые в очаговых зонах Южного и Среднего Байкала в виде усиления энергии сейсмического потока на фоне миграции сейсмических кластеров в краевые части разломных зон и к периферии асейсмичных перемычек – сейсмических брешей, являются пороговыми индикаторами перехода контролируемой очаговой зоны в метастабильное состояние подготовки землетрясения повышенной на 1–3 класса энергии.

2. По результатам многолетних детальных сейсмологических и вибросейсмических наблюдений на созданной территориально-распределенной Селенгинской системы геофизических наблюдений доказана эффективность активного (вибросейсмического) – и пассивного (сейсмологического и геофизического) мониторинга, существенно дополняющего данные опорной сейсмологической сети, особенно по потоку низкоэнергетических землетрясений, и способствующего более полной реконструкции деформационного процесса на низких структурно-иерархических уровнях.

3. Реализованная на основе микродинамического модального способа процедура оценки состояния технических систем с высокой достоверностью выявляет различного рода дефекты по локальным нарушениям линейной структуры волнового поля (по снижению когерентности, аномалиям фаз и амплитуд), уточняет их природу комплексом неразрушающих (сейсмоакустических, электромагнитных и др.) методов и допускает количественную интерпретацию измеренного вектора частот и значимых форм колебаний подбором динамических параметров (модальных масс, жесткостей, затухания) линейной конечно-элементной модели.

4. Созданная при апробации микродинамического модального способа база данных (свыше 70 объектов) не только характеризует динамические особенности, но и формирует «дерево отказов» (типовых дефектов и деформаций) преобладающих типов застройки XVII–XXI вв. и может использоваться при мониторинге текущего состояния технических систем в сейсмических районах Прибайкалья. Подбором по измеренным частотам и модальным формам параметров верифицированных динамических моделей установлено снижение (до 20–30 %) начальной жесткости, что обосновывает необходимость сейсмоусиления или перепрофилирования жилых домов и зданий с массовым пребыванием людей постройки 1950–1980 гг.

Научная новизна. На основе многолетних детальных сейсмологических наблюдений, дешифрирования АКФС, морфоструктурного анализа рельефа дна оз. Байкала и с использованием результатов многоканального сейсмического профилирования составлена «Схема активной тектоники и сейсмичности Селенгинской очаговой зоны», необходимая для интерпретации данных активного (вибросейсмического) и пассивного геофизического мониторинга изменений напряжений в центральной части Байкальского рифта.

Впервые выявлена современная Посольская подзона сдвиговой деформации, субмеридионального направления, отмечаемая локальными пологими погружениями сейсмофокальных структур в северо-восточном и юговосточном направлениях и выраженная в зигзагообразном характере эпицентрального поля. В северо-восточной части Селенгинской очаговой зоны выделена Сухинская подзона преимущественно раздвиговых деформаций, что свидетельствует о продолжающемся развитии (с элементами сдвига и вращения) системы рифтовых сбросов.

Впервые при анализе пространственно-временной эволюции сейсмической активности в низких энергетических классах (К>6) выявлена миграция кластеров слабых землетрясений в 2003–2007 гг. из центра на юго-западный и северо-восточный фланги Селенгинской зоны, где возникли две крупных кластерных аномалии. Наряду с процессами кластеризации, в Селенгинской зоне отмечается усиление слабой сейсмичности в период с октября по апрель, вызванное триггерными процессами и свидетельствующее о переходе системы в метастабильное состояние.

Длительными наблюдениями на всех приемных сейсмостанциях впервые выделены плавные понижения разности фаз и повышения амплитуд в летний период, имеющие циклический (сезонный) характер, что подтверждает необходимость учета годовых вариаций амплитудно-фазовых характеристик стационарного вибросейсмического поля при исследовании геодинамических процессов методами сейсмической интерферометрии.

Вибрационными испытаниями зданий и строительных конструкций осуществлены измерения амплитудно-фазовых характеристик и контроль нарушений когерентности колебаний оказывается более эффективным при выявлении дефектов конструкций, чем измерение средних частот и параметров затухания собственных колебаний, которому уделяется значительное внимание в работах отечественных и западных инженерных сейсмологов.

Для инструментальной дефектоскопии зданий и сооружений апробирован комплекс неразрушающих электромагнитных, сейсмических, акустических методов, позволяющий выделять аномалии в объеме обследуемых объектов, оценивать их природу и определять износ и сейсмостойкость обследуемых зданий.

На основе детальных инструментальных обследований комплексом неразрушающих физических методов и вибродефектоскопии получена база экспериментальных данных по разнотипным зданиям различного назначения (школы, административные здания, магазины, жилые дома и т. д.), различных конструкционных схем и разных лет застройки, в том числе подвергшихся воздействию сильных местных землетрясений.

Практическая значимость работы. Результаты детальных сейсмологических наблюдений Селенгинской локальной сети используются в Региональном каталоге землетрясений Прибайкалья. Экспериментами показана возможность измерений вибросейсмического сигнала на удалениях до 250 км стандартной сейсмологической аппаратурой региональной сети Прибайкалья, что позволило наладить регулярный вибросейсмический мониторинг на площади более 20 000 кв. км.

«Схема активной тектоники и сейсмичности Селенгинской очаговой зоны» внедрена при инженерно-геологическом районировании Центрального Байкала (по заказу дирекции ОЭЗ ТРТ «Байкальская гавань»).

Методика динамических измерений, реализованная при исследованиях каркасного здания серии 1.120с, использована при разработке стенда на платформе вибратора ЦВО-100 для вибрационных испытаний фасадных систем и масштабных моделей зданий.

Протоколом от 09.06.2005 г. секции «Сейсмостойкость сооружений» НТС ГУП ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко модальный микродинамический метод, развиваемый ГИН и ГС СО РАН рекомендован: 1) для массового применения при комплексном обследовании зданий и сооружений; 2) при мониторинге состояния зданий в условиях техногенного и сейсмического воздействия; 3) при оценке как качества нового строительства, так и соответствия проектных моделей динамическим характеристикам завершенных зданий; 4) при проведении вибрационных испытаний зданий массовой застройки.

Результаты инструментальной дефектоскопии использованы при разработке проектов и усилении жилых зданий серий 1-335, 1-306 в г.Улан-Удэ, Иркутске, Ангарске, при доработке проекта каркасного здания серии 1.120с, при восстановлении ряда памятников архитектуры, реконструкции комплекса зданий Правительства Республики Бурятия, Оперного театра, хирургического комплекса Республиканской больницы и многих других объектов.

Актуальность результатов. Работа выполнялась в рамках следующих тем и проектов: по приоритетным направлениям РАН 6-20; СО РАН-28.

«Экология и рациональное природопользование. Мониторинг окружающей среды; программа 28.1. Мониторинг и палеореконструкции глобальных изменений природной среды, климата и седиментогенеза в кайнозое Сибирского региона (блок 3. Мониторинг изменений напряженного состояния земной коры как фактора современных геодинамических перестроек Байкальского региона)»; программа Президиума РАН 13.12. «Физические основы и новые технологии среднесрочного прогноза (применительно к сейсмоактивным зонам юга Сибири)»; интеграционные проекты СО РАН № 77 «Стратегия прогноза землетрясений на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне»; № 101 «Геодинамические факторы современных катастрофических явлений на Северо-Востоке Азии»; № 90 «Комплексное исследование состояния и динамики развития экосистемы р. Селенги»; № 6.5.1. «Роль коллизионных и субдукционных процессов генерации изменений напряженного состояния и сейсмического режима литосферы Центральной Азии»; № 6.5.2. «Геофизическая характеристика земной коры сейсмоактивных зон Сибири»; междисциплинарный проект СО РАН № 122 «Ледовый покров оз. Байкал как модельная среда для изучения тектонических процессов»; программы Президиума РАН (проект «Динамика деформационных процессов в сейсмоактивных регионах Центральной Азии и очаговых зонах крупных землетрясений»).

Региональных и федеральных программ: ФЦП «Программа социально экономического развития Республики Бурятия» (государственный контракт № 2.21.2/6ф с Министерством экономического развития и торговли РФ по теме «Мониторинг состояния сейсмической опасности на территории Республики Бурятия»); ФЦП «Социально-экономическое развитие Республики Бурятия» (проект «Разработать методику оценки сейсмической опасности для территории Республики Бурятия»); региональная научно-техническая программа «Бурятия: Наука, Технологии, Инновации – 2002» (проект : «Разработка инновационных вибросейсмологических технологий контроля устойчивости природных систем в бассейне оз. Байкал»). Государственного контракта 41–4/7-г. «Геофизический мониторинг (вибросейсмический, сейсмологический, тектономагнитный) напряженного состояния очаговых зон Южного и Центрального Байкала» с Госкомитетом по природопользованию и охране окружающей среды по Республике Бурятия.

Грантов РФФИ 00-07-90256 «Развитие интегрированной корпоративной сети информационного обеспечения фундаментальных исследований академических институтов Бурятского научного центра СО РАН»; РФФИБайкал 05-05-97270 «Разработка метода многовекторного мониторинга Байкальского рифта с использованием гармонических вибросигналов фиксированных частот»; гранта INTAS 97-1040 «Создание региональной системы для экологического мониторинга в районе оз.Байкал».

Личный вклад автора. При личном участии на Байкальском геодинамическом полигоне создана локальная сейсмологическая сеть, восстановлен виброисточник ЦВО-100 и поставлен ряд экспериментов с целью пробной регистрации свип-сигнала и когерентного сейсмического излучения. Спектральным анализом сейсмограмм выявлено, что вибрационный сигнал прослеживается с высокими соотношениями сигнал/шум на удалениях до 2км. Полученные результаты подтвердили возможность регистрации вибросейсмического излучения стандартной сейсмологической аппаратурой. Последнее обстоятельство позволило с 2004 г. перейти к регулярному мониторингу южной и центральной частей Байкальского рифта с применением монохроматического и свип-излучения вибратора.

Активным мониторингом в режиме вибросейсмической интерферометрии определено, что точность измерений амплитудно-фазовых характеристик зависит от стабильности виброисточника и отношения сигнал/шум в каждом конкретном сеансе. Наиболее стабильными фазовыми характеристиками на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне отличаются станции приема «Хурамша», «Турунтаево», «Тырган», «Онгурены», «Закаменск» с высокими соотношениями сигнал/шум.

По личной инициативе диссертанта организованы сначала опытные, а затем, после доработки методики с учетом отраслевых требований, массовые обследования разнотипной застройки. В процессе совместной с ГС СО РАН апробации микродинамический метод стоячих волн подвергся доработке.

Экспериментально установлено, что характеристики динамической системы (частоты, амплитуды, фазы) определяются с погрешностью <5 %, приемлемой для целей организации сейсмического мониторинга и изучения воздействия сильных местных землетрясений на здания и сооружения. Несколько хуже, при значительной интерференции волн в объеме сооружений, измеряются параметры диссипации. Натурными экспериментами обосновано использование не только амплитудных, но и фазовых характеристик колебаний между опорной и передвигаемыми в объеме здания точками измерений, что существенно улучшило идентификацию пространственных форм собственных колебаний.

В результате доработки методика инструментального обследования переориентирована на определение триады параметров: вектора собственных частот; амплитудных (веса модальных форм) и фазовых характеристик свободных колебаний; реализованный подход позволил восстанавливать и однозначно идентифицировать значимые моды собственных колебаний; сопоставлять измеренные и вычисленные динамические характеристики; корректировать методом подбора расчетные модели и оценивать на их основе текущую сейсмостойкость зданий.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международном симпозиуме «Байкал как участок мирового природного наследия» (Улан-Удэ, 1998); региональной научно-практической конференции «Природные системы гор юга Сибири» (Улан-Удэ, 1998), международной научно-практическая конференции «Город: прошлое, настоящее, будущее» (Иркутск, 1998, 2004); совещаниях «Строительный комплекс востока Сибири» (Улан-Удэ, 1999;), «Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий» (Новосибирск, 2000); международном семинаре URSA-99 (г. СанктПетербург, 1999), на совещании на третьих геофизических чтениях им.

В.В.Федынского (Москва, 2001); 1-ой международной школе-семинаре «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» (Красноярск, 2001); международном совещании «Earthqake Disaster Risk management for Ulaanbaatar» (Ulaanbaatar, 2002); международных конференциях «Проблемы сейсмологии III тысячелетия» (Новосибирск, 2003), «Математические методы в геофизике» (Новосибирск, 2003), «V российско-монгольская конференция по астрономии и геофизике» (Иркутск-Истомино, 2004), «VI РоссийскоМонгольская конференция по астрономии и геофизике» (Улан-Удэ, 2005); IV международном совещании по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг (Петропавловск-Камчатский 2004); казахстано-российской международной конференции «Геодинамические, сейсмологические и геофизические основы прогноза землетрясений и оценки сейсмического риска» (Алматы, 2004), III,IV,V,VI российских национальных конференциях по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (с международным участием) (Сочи, 1999; 2001;2003;2005);

на всероссийских совещаниях: «Сейсмические опасность и воздействие» (Иркутск, 2000), «Проблемы региональной геофизики» (Новосибирск, 2001), «Напряженное состояние литосферы, ее деформации и сейсмичность» (Иркутск, 2003); III всероссийской научно-практической конференции «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (Красноярск, 2003).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, двух частей, включающих шесть глав, заключения и списка литературы из 230 наименований.

Благодарности. Соискатель искренне благодарен академику Н.Л. Добрецову, который будучи директором Геологического института направил мое внимание на проблемы сейсмологии и сейсмостойкого строительства. Глубоко благодарен академику С.В. Гольдину, докторам наук: А.Ф. Еманову, В.С.Селезневу, В.Д.Суворову, В.В.Ковалевскому, К.Г.Леви, О.В.Павлову, В.В.Ружичу, Т.Н. Чимитдоржиеву; кандидатам наук В.Г.Баранникову, И.Н.Резанову, О.К.Массальскому, Ю.А.Бержинскому, Н.П. Кузьменко, В.С.

Соловьеву, Е.Н.Черных, а также всем коллегам-сотрудникам ГИН, ГС, ИГФ, ИЗК СО РАН, совместные работы и обсуждение результатов с которыми определили реализуемые подходы к геофизическому мониторингу природных и технических систем.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ЧАСТЬ 1. АКТИВНЫЙ И ПАССИВНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ Глава 1. Геофизический мониторинг как основа среднесрочного прогноза землетрясений В первой главе обосновывается применение геофизического мониторинга для оценки изменений напряженного состояния и определения текущего уровня геодинамической опасности Байкальской природно-технической системы (БПТС) – комплекса природных и технических объектов, сложившегося на территории Республики Бурятия и Иркутской области.

Процесс накопления и релаксации энергии в открытых геосистемах не является перманентным, обладает свойством бифуркации и зависит не только от общегеодинамических, но и космогонических, локальных источников, реализуемых типов и механизмов разрушения. Оценка уровня напряжений и деформаций в очаговых зонах землетрясений на глубинах 5–70 км проводится только косвенным образом по расчетам тензора деформаций (Dziewonski et al.,1981, Delvaux et.al.,1997; Мельникова, 2008), по отклику на известные воздействия как естественного (пассивный мониторинг), так и искусственного (активный) происхождения (Алексеев, 1997; Гольдин, 2003; Татьков и др., 2008). В отличие от модельных экспериментов, в конкретном сейсмоопасном районе из-за различий блоков по прочности и скорости накопления– релаксации напряжений в состоянии, близком к предельной прочности, могут одновременно пребывать несколько участков. При геофизическом мониторинге литосферы из-за сложной взаимосвязи измеряемых параметров между собой и напряженно-деформированным состоянием наблюдаемой геодинамической системы, релаксации энергии при межблоковых и иных взаимодействиях, наложения сезонных и других вариаций чрезвычайно затрудняется выбор решающих правил и определение критических пороговиндикаторов.

Наблюдаемые сейсмотектонические процессы даже в активизированных областях Земли характеризуются относительно невысокими скоростями, поэтому предшествующая история их деформирования, как правило, неизвестна, а вероятность обнаружения аномалий геодинамической природы невелика из-за краткости периода инструментальных наблюдений. Существенно ограничивает информационную базу сложившаяся сейсмологическая «монодисциплинарность» и резкое сокращение наблюдений на полигонах, расположенных в различных геодинамических обстановках (Гамбурцев, 1949; Беньофф, 1961; Kanamori, 1977; Курскеев, 1990; Соболев, 1993; Гордеев, Чебров, 2004; Старовойт, 2004; Чипизубов, 2007).

В течение 40 лет усилиями институтов Сибирского отделения РАН, ФГУП «Иркутскгеофизика» поддерживается уникальная сеть мониторинга геофизических, геодезических, гидрогеологических и геохимических параметров, ориентированная на наблюдение предвестников землетрясений и измерение физических характеристик литосферы внутриконтинентального Байкальского рифта (Логачев, Флоренсов, 1977; Зоненшайн, Савостин, 1979;

Зорин и др., 1981; Крылов и др., 1981; Кузьмин и др., 1995; Кулаков, 1995;

Шерман и др., 1996; Мороз, Неведрова, 1998; Дучков, Лысак, Голубев, 1999;

Дядьков, Мандельбаум, 1999; Саньков, 2001; Тимофеев, 2003; Селезнев и др., 2004; Ten Brink et al., 2002). Несмотря на достоверность долгосрочного прогноза, реализованного в виде мелкомасштабных карт сейсмического районирования, управление сейсмобезопасным функционированием БПТС по наблюдениям за геодинамическим режимом в настоящий момент невозможно:





нет единого мнения по энергетическим источникам рифтогенеза; отсутствует набор универсальных предвестников и типовых сценариев землетрясений; не определены решающие правила и пороговые индикаторы метастабильного и экстремального лавинообразного развития.

Реализация среднесрочного прогноза возможна в условиях постепенного нарастания напряжения с малыми скоростями в деформируемых средах, состоящих из разнопрочных и разнонапряженных элементов-блоков. Оба условия вполне реализуемы в очаговых зонах землетрясений БПТС. Историческими сведения и сейсмологическими наблюдениями в Прибайкалье установлены многочисленные факты форшоковой активизации. Предположение о конечных скоростях деформирования блочных сред, и как следствие, – возможности реализации среднесрочного прогноза силы и места сильного землетрясения подтверждается ретроспективным пространственно-временным анализом (Татьков, 2001) выборки из регионального каталога Прибайкалья для зоны Южно-Байкальского землетрясения 1999 г. В результате специализированного исследования установлены следующие особенности эволюции сейсмического процесса: 1) очаговая область весь инструментальный период (не менее 40 лет) существовала как сейсмическая брешь между двумя соседними дефектными зонами; 2) с 1991 г. (за 8 лет (!) до Южно-Байкальского землетрясения) начинается миграция эпицентров землетрясений с К 12 в юго-восточном направлении, что сопровождается усилением скорости дефектообразования в зоне Обручевского разлома; 3) произошло два главных толчка: 10 февраля (К=12,5) и 25 февраля (К=14,6, магнитуда М=6,0), предварявшихся сейсмическим затишьем, форшоковой активизацией и сопровождавшихся многочисленными афтершоками; 4) в процессе сейсмогенного разрушения в 1999–2000 гг. асейсмичной перемычки произошло укрупнение Обручевского разлома (рис.1).

Начало активизации Пространственно-временное группирование землетрясений на Южном Байкале Рис. 1. Пространственно-временная эволюция деформационного процесса в очаговой области Южно-Байкальского землетрясения в 1960–2000 гг.

При обеспечении оперативного анализа потока сейсмических событий для К>8, контролируемого региональной сейсмологической сетью Прибайкалья, положение эпицентра – в краевой части существующей не менее 40 лет сейсмической бреши и сверхактивное развитие форшокового процесса 9–февраля 1999 г. имели бы решающее сейсмопрогностическое значение для объявления режима повышенной геодинамической опасности на Южном Байкале.

Обобщая отечественный и зарубежный опыт наблюдений на геодинамических полигонах, теоретических и модельных экспериментов, С.В. Гольдин сформулировал новую концепцию геофизического мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния геологической среды и среднесрочного прогноза землетрясений, ориентированного не на регистрацию разрозненных предвестников землетрясений, а на изучение региональных изменений напряженного состояния, конкретных движений и физических полей (в том числе проявления предвестников) в блочно-разломных системах, образующих Южно-Байкальскую и Селенгинскую очаговые зоны.

Для блочных сред максимальные напряжения концентрируются на пересечениях, искривлениях или окончаниях межблочных разломов, к этим же местам приурочены и очаги наиболее сильных землетрясений. Для реальной геологической среды, отличающейся присутствием неоднородностей, более вероятно изменение поля напряжений от сильно неоднородного (хаотичного) к более однородному, сопровождающемуся укрупнением линейных размеров неоднородностей, что также увеличивает вероятность обнаружения процесса подготовки катастрофического землетрясения. Преобладание горизонтального растяжения, особенно в центральной части Байкальской рифтовой зоны, накладывает особые условия на характер развития как геодинамических, так и сейсмических процессов: порог прочности для растягивающих усилий ниже, чем для сжимающих. Для перехода от теоретических моделей – лабораторных экспериментов – к реальным геологическим средам с учетом медленных скоростей современных геодинамических процессов и их самоподобия в иерархически организованных блоковых структурах литосферы, локальные сейсмонаблюдения изначально ориентируются на повышение информативности за счет наблюдения геодинамических перестроек и изменений энергетического баланса с минимально возможных иерархических уровней (Татьков, 2004). Наряду с геофизическим мониторингом напряженнодеформируемого состояния значительных объемов литосферы БРЗ, существенная роль уделяется наблюдениям короткопериодных деформаций и криповых подвижек в приповерхностных разломных системах (Ружич, 2003 ).

Сценарий Южно-Байкальского землетрясения наряду с историческими сведениями подтверждает, что повышение представительности сейсмонаблюдений за счет локального уплотнения числа сейсмостанций, развитие средств и методов активного и пассивного геофизического мониторинга изменений напряженного состояния недр, переход к обработке данных в режиме близреального времени, создание набора сценариев сильных землетрясений, выявление стадий сейсмического цикла позволит эффективно планировать и реализовывать «адресные» мероприятия по снижению сейсмического риска Прибайкалья.

Глава 2. Пассивный (сейсмологический, геомагнитный) геофизический мониторинг Селенгинской очаговой зоны Исходя из главенствующей роли региональных изменений напряженного состояния, обусловленных как перераспределением коровых напряжений при сейсмических активизациях в регионе, так и более удаленными сейсмогеодинамическими процессами на межплитных границах, важно создать, по возможности, площадную систему мониторинга. Наряду с региональными полями напряжений на изменения сейсмотектонического процесса способны оказывать влияние и космогонические факторы (приливные вариации силы тяжести, солнечная активность и др.). В наибольшей степени требованиям площадных наблюдений и необходимости регистрации внешних факторов (солнечной активности) удовлетворяет тектономагнитный мониторинг (Дядьков, 1977), который проводится с 1992 г. ГИН СО РАН совместно с ИНГиГ СО РАН двумя способами (рис.2; 3).

1. Режимные стационарные наблюдения на базовых пунктах для изучения геомагнитных вариаций и установления связи аномальных изменений поля с сейсмотектоническими процессами. По результатам режимных наблюдений на сети магнитовариационных станций в Прибайкалье установлена связь аномальных изменений геомагнитного поля с вариациями сейсмического режима. Вместе с тем предвестники проявляются неоднозначно; при Разность магнитного поля на стационарных пунктах "Надеино", "Рыбак", "Сухой ручей".

, С 12.04 по 30.06 2000г.

13,11,9,7,5,3,Рыбак - Надеино Надеино - Сухой ручей Сухой ручей - Рыбак Рис. 2. Повышение разностного поля Т при подготовке сильного афтершока Южно-Байкальского землетрясения ( 30.05.2000 г., К= 13.5) К=13.Рыбак Хурамша Надеино Рис. 3. Усиление интенсивности вариаций (28–40 суток) магнитного поля от центральной части к периферии рифта после землетрясения 30.05.2000 г.

разных землетрясениях наблюдаются отличающиеся геомагнитные предвестники. Существует зависимость аномальных эффектов от положения источника возмущений относительно пункта наблюдений (зачастую аномальные эффекты усиливаются к периферии рифтовой зоны (ст. Надеино), что совпадает с наблюдаемыми увеличениями скорости горизонтальных деформаций по GPS (Саньков, 2001).

Для изучения возможного влияния космогонических факторов выполнен Вейвлет- и Фурье-анализ магнитного поля Земли эпохи 2000–2002 гг., зарегистрированного магнитовариационными станциями на ЮжноБайкальском геодинамическом полигоне. В коротковолновой области исходПериод ( сутки ) nTl Да т а 20 50 4050 6050 80 510 630 650 7060 90 612 0 4 14 0 4 16 0 4 0 18 0 4 20 0 4 22 0 4 24 0 4 0 26 0 4 0 28 0 4 30 0 4 0 10 0 5 0 1214 0 5 16 0 5 18 0 5 0 20 0 5 0 22 0 5 24 0 5 26 0 5 0 28 0 5 30 0 5 11 0 6 0 13 0 6 0 15 0 6 17 0 6 19 0 6 0 21 0 6 23 0 6 25 0 6 27 0 6 0 29ного магнитного поля Т и разностного Т выявлены 24-х, 12- и 8-часовые солнечно-суточные вариации Sq. 6–7 часовые «лунно-суточные» L-вариации проявляются в декабре-марте при минимуме солнечной активности. Вейвлетанализом в длинноволновой области установлены изменения частотного состава в полосе 28-40 суток, не имеющие четко выраженной сезонной составляющей. Отмечены случаи (перед землетрясением 30.05.2000 г.) синхронизации прохождения короткопериодных вариаций и изменения интенсивности длиннопериодных (28–40 суток) гармоник (см. рис. 2; 3).

2. Повторные ежегодные (1–2 раза в год) тектономагнитные измерения на площадной сети рядовых пунктов позволили создать площадную сеть (рядовых пунктов наблюдений), расположенную на периферии Байкальского рифта и охватывающую систему Иволгино-Удинских мезокайнозойских впадин и их горного обрамления. Многолетние площадные наблюдения тектомагнитного поля в пределах геодинамического полигона показывают, что динамика аномального магнитного поля обусловлена влиянием БРЗ на ближние структуры. Наблюдаемые длиннопериодные изменения магнитного поля могут быть связаны как с пьезомагнитными эффектами деформируемых горных массивов, так и с электрокинетическими явлениями в зоне ДжидиноВитимском структурного шва, вмещающего мезокайнозойские впадины. По тектономагнитным измерениям локализовано несколько аномалий, характеризующихся сильными флуктуациями. Наибольшей контрастностью и изменчивостью во времени отличаются субмеридиональные пересечения крупными разломами Джидино-Витимского шва, выделяемые по дешифрированию аэрокосмоснимков (Резанов, 1999) и геофизическим данным. Вблизи одного из пересечений располагался очаг Оронгойского (Тарбагатайского) землетрясения 1980 г. – М=5; J0= 7 баллов (рис. 4).

Рис.4. Тектономагнитные аномалии (разность 2001–2000 гг.), наблюдаемые при сейсмической активизации Байкальского рифта Для повышения информативности и отработки методик пассивного (сейсмологического, геомагнитного) мониторинга в период 1999–2003 гг.

проведены работы по организации и оснащению Селенгинской локальной сейсмологической сети.

( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( В (( В (( В (( В (( В (( В (( В (( В (( В ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( ( ( ( ( (( ( ( ( ( (( ( ( ( ( (( ( ( ( ( (( ( ( ( ( (( ( ( ( ( (( ( ( ( ( (( ( ( ( ( (( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( ( (( ( ( ( ( ( (( ( (( ( (( ( ( ( ( ( ( ( (( ( (( ( (( ( ( ( ( (( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( (( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( (( ( (( (( ( (( (( (( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ((( ((( (( ( ( ( (( ( ( ( Тырган ((( Тырган ((( Тырган ( Тырган ((( Тырган ( Тырган (( ( ( ( ( Тырган ( Тырган ( Тырган ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ((( ( ( (( ( (( ( ( ( ( ( ( ( ((( ( ( (( ( (( ( ( ( ( ( ( ( ((( ( ( (( ( (( (( ( ( ( ( ( ( ( (( ( ( ( ( ( ( ( (( ( ( ( ( (((( (((( ((( (((( (((( ((( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( ( ( ( ( (( ( ( ( ( ( (( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( Котокель ( Котокель ( Котокель ( Котокель ( Котокель ( Котокель Котокель Котокель Котокель ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( (( ( (( (( ( (( (( (( (( (( (( (( (( (( ( (( ( (( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( (( ( ( (( (( ( ( (( (( ( ( (( (( ( ( (( (( ( ( (( (( ( (( ( (( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( Заречье ( Заречье ( ( ( Заречье ( ( Заречье ( ( Заречье ( ( ( ( ( ( ( ( ( Заречье ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( Заречье (( Заречье (( Заречье ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( ( ( (( ( (( ( (( ( ( (( ( (( (( ( (( (( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( БП ( ( БП ( ( БП ( ( БП ( ( БП ( ( БП ( ( БП ( ( БП ( ( БП ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( ( ( ( ( ( (( ( ( ( ( ( (( ( ( ( ( ( ( ( ( АД АД АД АД АД АД АД АД АД ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( ( ( (( ( ( (( ( ( ( ( (( ( (( ( (( ( (( ( (( ( (( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( ( ( (( ( ( ( ( (( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( (( (( (( (( (( (( (( (( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( Турунттаево Турунтаево Турун аево Турунттаево Турунтаево Турун аево Турунттаево Турунтаево Турун аево БС БС БС БС БС БС БС ( БС ( БС ( ( ( ( БП ( БП ( БП ( ( БП ( БП ( БП ( ( БП ( БП ( БП ( ( Степной Дворец ( Степной Дворец ( Степной Дворец ( Степной Дворец ( Степной Дворец ( Степной Дворец ( Степной Дворец ( Степной Дворец ( Степной Дворец ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (((( ( (((( ( ( (((( ( (((( ( ( (( ( (((( ( ( (( ( (((( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (( (( (( ((( ((( ((( (( (( (( ((( ((( (( (( ((( (( (( (( (( ( ( ( ( ( ( Фофоново ( Фофоново ( Фофоново ( ( ( ( Фофоново ( Фофоново ( Фофоново ( ( ( ( Фофоново ( Фофоново ( Фофоново ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( А ( А ( А ( А ( А ( А ( А А А Улан-Удэ Улан-Удэ Улан-Удэ Улан-Удэ Улан-Удэ Улан-Удэ Улан-Удэ Улан-Удэ Улан-Удэ ЦВО-1ЦВО-1ЦВО-1ЦВО-1ЦВО-1ЦВО-1ЦВО-1ЦВО-1ЦВО-1{ { { { { { { { { Бабушкин Бабушкин Бабушкин Бабушкин Бабушкин Бабушкин Бабушкин Бабушкин Бабушкин Хурамша Хурамша Хурамша Хурамша Хурамша Хурамша Хурамша Хурамша Хурамша 10.5 -- 12.( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( 8.( 4 ( ( 1 23 ( -- 10.5 ( ( ( ( ( 6.5 -- 8.0 -- 6.Рис. 5. Разломно-блоковая структура и сейсмичность за 2003–2007 гг.

Селенгинской очаговой зоны 1 – разломы, слабо проявленные в эпицентральном поле; активизированные разломы: 2 – Посольской подзоны сдвигово-сбросовых деформаций; – Сухинской подзоны зоны растягивающих деформаций; 4 – эпицентры землетрясений; 5, 6 – направления подвижек по разломам В результате регионального уплотнения сейсмонаблюдений по изменениям сейсмического потока спрогнозировано слияние локальных дефектов и повышение уровня геодинамической опасности по линии «Истомино– Заречье» (Татьков, 2001). При оперативном анализе сейсмического потока впервые для Селенгинской зоны в 2000–2001 гг. зарегистрированы два пространственно разобщенных роя – устойчивых кластера микроземлетрясений Бугульдейский Бугульдейский Бугульдейский Бугульдейский Бугульдейский Бугульдейский Бугульдейский Бугульдейский Бугульдейский й й й й й й й й й и и и и и и и и и к к к к к к к к к с с с с с с с с с р р р р р р р р р Б Б Б Б Б Б Б Б Б о о о о о о о о о й й й й й й й й й й й й й й й й й й а а а а а а а а а й й й й й й й й й м м м м м м и и и м м м и и и и и и и и и и и и и и й й и й й й й й и и и й й и и и к к и к и и к к и и к и к к и к и и и и и к к к к к к к к к к к к к к к к к к к к к к к к к к к с с с с с с р р р с с с р р р р р р й й й с с с с с с й й й й с с с й с с с й с с с с с с а а а а а а а а а в в в и и и в в в и и и в в в и и и в в в в в в П П П в н в в н н к к к П П П н н н к П к П П к н н н к к л л л к л л л л л л е е е е е е с с е е с е с о о с о с с о о с о с о о о о о о о о о с с с о о о с с с с с с ч ч ч ч ч ч ч ч ч т т т т т т т т т о о о о о о о о х х х о х х х х х х у у у с с с у у с с с н у н н у Г у с Г у с с н Г н н Г Г Г н н н Г Г Г р ь ь р ь р р р ь ь ь р р р р о о о ь ь ь о о о е е е о о о р р е р е е е е е р е е р р е е е е е р е р е р т т т т т т м м м т т т м м м м м м л л л л р р р л л я я я я я р р р л л л я я б я б б я я р р я я р я б я я б я я я б б б б че ч ч ч че ч в в в че ч ч в в в в в в е е е К К е К К е К К е К К К н н н н н н О О О н н н О О О С С С О О О О О О С С С О О О С С С О О с с с О с с с с с с к к к к к к к к к и и и и и и и и и й й й й й й й й й С С С С С С С С С й й й й й й й й й о о о о о о о о о у у у у у у у у у к к к к к к к к к с с с с с с х х х с с с х х х х х х р р р р р р р р р и и и и и и и и и о о о о о о о о о й й й н н н й й й й й й н н н М М М й й й н н н о о о М М й й М й о о о М М М й й й о о о в в в в в в в в в о о о о о о г г о о г о г г г с с с г г г с с с с с с е е е е е е е е е ы ы ы ы ы ы р р р ы ы ы р р р р р р е е е е е к к к Б Бе Бе к к к Бе Бе Б к к к Б Б Б в в в в в в в в в и и и и и и и и и о о о о о о о о о й й й й й й т й т т й й т т т т т т ь ь ь ь ь ь ь ь ь л л л л л л л л л е е е е е е е Д Де Де Д Д Д Д Д Д й й й й й й й й й й й й й й й й й й и и и ы ы ы и и и ы ы ы и и и ы ы ы к к к к к к к к к н н н н н н н н н с с с с с с с с с н н н н н н н н н ь ь ь й й й ь ь ь й й й ь ь ь й и и й й и и к к и к и к и к и к и с с с к к к с с с а а а н н н с с с а а а н н н и а и и а а н н н и Ф и Ф и Ф ц ц л л ц л Ф Ф и и и Ф ц ц ц л л л Ф Ф н Ф н н ц ц ц л л л н н н а а а н н н а а а т т т а й а й а й т т т й й й ч ч ч т И И И т т й й й ч ч ч И И И ч ч ч И И И и и и а а а и и и а а а и и и а а а к к к к к к к о о к к о о о о с с с о с о о с с с с с с с с с с с к к к с с с к к к к к к н н н н н н н н н ф а ф а ф а а ф ф а е е е ф а а ф ф а ф а е е е й й й е е е й й й й й й б б б б б б б б б а а а а а а а а а а а а а а а д д д П П П а д а а д д д д П П П д о о о П П П о о о о о р о р р р р р р р р а а а а а Б Б Б а а а Б Б Б Б Б Б н н н н н н ма м м н н н м м м м м м а а а а а а а а а о о о Х Х Х о о о Х Х Х о о о Х Х о Х о о о о о о о о о о о о о о о о о в в в н н н в в в н н н н в н в в н н н н н н н н н н ж ж ж ж ж ж ж ж ж с с с с с с с с с ж ж ж Ю Ю ж Ю ж ж Ю Ю ж Ю ж ж Ю Ю Ю к к к к к к к к к и и и и и и и и и Ю Ю Ю Ю Ю Ю Ю Ю Ю й й й й й й й й й Ю Юж Ю Юж Ю Юж ж жн жн н н н н ы ы ы ы ы ы йБ йБ й й й й Ба Ба Ба Ба а а йк йк йк йк йк йк а а а а а а л л л л л л (магнитудой М>1,0) «Истомино» и «Заречье», между которыми существовала асейсмичная перемычка – «Провал». Дальнейшее развитие сейсмотектонического процесса сопровождалось слиянием двух пространственно разделенных кластеров («Заречье» и «Истомино») и постепенным (со скоростью 72 м/сутки=2·10-6км/с) формированием зоны разрушения, что соответствует медленным (10-5–10-7 км/с) скоростям движений в блоковой коре. Слияние двух активизированных участков и начало разрушения межбарьерной перемычки отметилось 10 октября 2001 г. землетрясением в районе зал. Провал магнитудой М=5,0.

Переход с января 2003 г. из режима «по обнаружению» к «непрерывной» регистрации привел к резкому повышению интенсивности фиксируемого сейсмического потока и существенно улучшил представительность и информативность сейсмонаблюдений на Среднем Байкале.

В результате многолетних детальных сейсмологических наблюдений с использованием дешифрирования АКФС, морфоструктурного анализа рельефа дна оз. Байкала и данных многоканального сейсмического профилирования составлена «Схема активной тектоники и сейсмичности Селенгинской очаговой зоны», необходимая для интерпретации данных активного (вибросейсмического) и пассивного геофизического мониторинга изменений напряжений в центральной части Байкальского рифта (рис. 5).

Для изучения динамики блочной структуры Селенгинской очаговой зоны проанализирована пространственно-временная эволюция сейсмической активности в низких энергетических классах (К>6) за период 2003–2007 гг.

Выделено 42 кластера, из них 34 включают от 8 до 16 событий, 7 – от 18 до 43 событий и один кластер – 186 событий. Доля кластеров, объединяющих и более событий, составляет 12 % общего числа событий (791 против 6599).

Установлена миграция кластеров землетрясений из центра на юго-западный и северо-восточный фланги зоны, где возникли две относительно крупные и устойчивые по времени кластерные аномалии, соответственно приуроченные к разломам субмеридионального (Бугульдейский сдвиго-взброс) и северозападного (Гремячинский и Сухинский сбросо-сдвиги) простираний (см.

рис.5;6). Северо-восточная аномалия в эпицентральной зоне землетрясения 13.12.2006 г. с К=12,6 включает 186 событий, распределенных в радиусе км.

Скорость распространения деформаций в северо-восточном направлении по миграции кластеров землетрясений оценивается в 63.15 м/сутки и близка к скорости 72 м/сутки вспарывания Ольхонского и Святоносского разломов, установленной при подготовке землетрясения 10 октября 2001 г.

магнитудой М=5,0 в районе залива Провал. После завершения активизации в мае 2007 г. в Селенгинской зоне резко снизился поток малоэнергетических событий. Подобные метастабильные ситуации с уменьшением потока низкоэнергетических событий после образования двух-трех кластеров наблюдались Г.А.Соболевым за 1–3 года перед крупными землетрясениями в очаговых зонах Камчатки и Японии. Впоследствии очагом будущего катастрофического землетрясения становится только один из образовавшихся кластеров.

Количество (0-7) А В Км 01.01.5 - 8 - 01.07.10-06.10.01.01.01.07.01.01.17.02.01.07.01.01.01.07.06 02.07.01.01.01.07.14.11.Дата < 6.5 6.5 - 8.5 8.5 - 10.5 >10.Количество (8-12) Рис. 6. Миграция кластеров слабых землетрясений (в проекции на осевую линию рифта АВ) и вариации сейсмического потока (слева) Селенгинской очаговой зоны в 2003–2007 гг.

Наряду с процессами кластеризации, в Селенгинской зоне на протяжении трех лет, в 2004–2006 гг., отмечается усиление слабой сейсмичности в период с октября по апрель (см. рис. 6). Выявленное сезонное усиление сейсмичности, вероятнее всего, связано со слабыми изменениями полей напряжений, инициированными понижениями уровня Байкала при срабатывании Иркутской ГЭС аккумулированной за весенне-летний период массы воды. Весной 2006 г. сезонный ход слабой сейсмичности вновь исчезает.

Установленная миграция кластеров на фланги Селенгинской зоны, сокращение потока слабых землетрясений, проявление триггерных эффектов, предположительно генерируемых понижениями уровня оз. Байкал, обычно характерны для наиболее подготовленных и находящихся в состоянии предразрушения структур. Полученные экспериментальные данные при современном состоянии сейсмопрогнозных исследований позволяют с известной долей вероятности идентифицировать юго-западный и северо-восточный фланги Селенгинской очаговой зоны как области повышенной вероятности крупного землетрясения. Между возникновением «кластерной» аномалии и крупным событием обычно предполагается довольно значительный временной интервал (1–3 года), на протяжении которого наблюдаемое метастабильное состояние может перейти в неустойчивость.

Глава 3. Активный (вибросейсмический) мониторинг Трещиноватость горных пород является важнейшей характеристикой, проявляющейся в большинстве физических полей (сейсмическом, электриче12345671111ском, гравитационном, гидродеформационном). Современные сейсмические методы позволяют определять изменение напряженно-деформированного состояния среды по вариациям скоростных и поляризационных характеристик сейсмических волн, проходящих непосредственно через зоны дилатансии (Алексеев, 1997; Гольдин, 2001), но регулярных вибросейсмических наблюдений в сейсмоактивных районах до сих пор не проводилось.

Для экспериментальных исследований изменений скоростей продольных и поперечных волн применительно к развитию методов сейсмического прогноза на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне организованы вибросейсмические зондирования в режиме свип-сигнала и монохроматического излучения с периодичностью не реже 1 раза в месяц. Наблюдениями временных вариаций вибросигналов с использованием многоканальных сейсмических антенн и стандартной сейсмологической аппаратуры подтверждены высокие метрологические характеристики разработанной информационной системы на Южном и Среднем Байкале и возможность ее использования для изучения слабопроявленных динамических процессов, предложены и отработаны различные схемы вибросейсмических наблюдений в сейсмоопасных районах. Полученные результаты позволили перейти от краткосрочных экспериментов к регулярным круглогодичным наблюдениям с использованием сейсмостанций локальной и региональной сети Прибайкалья, т.е. на практике реализовать систему совмещенного активного и пассивного сейсмологического мониторинга.

Действующая система вибросейсмических наблюдений состоит из стационаров, удаленных на 58–256 км от вибратора ЦВО-100 и оснащенных сейсмическими регистраторами «Байкал» и «Иркут», направлена на мониторинг изменения напряженного состояния в зоне Обручевского и Приморского сбросов, Бугульдейского разлома сдвигового типа, неоднократно активизировавшихся в процессе рифтогенеза. Общая площадь, охваченная многовекторным вибросейсмическим мониторингом, превышает 20 000 кв. км и позволяет контролировать не только разные направления, но и объемы сейсмогенерирующей среды (рис. 7).

Многолетними наблюдениями определены возможности и условия регистрации вибросейсмического поля на Селенгинской сети сейсмологических станций. В частности, на трассах вдоль южной котловины оз. Байкал (станции Талая, Листвянка) зарегистрирована интенсивная прямая волна, проходящая через водную среду со средней скоростью 1500 м/с, что затрудняет выделение Pg и Sg волн. На ст. Заречье для накопления вибросейсмического сигнала и подавления высокого уровня микросейсмических шумов необходимы дополнительные эксперименты с сейсмическими антеннами или использование более чувствительной аппаратуры. Пригодными для регулярных зондирований свип-сигналом признаны станции Хурамша, Турунтаево, Фофоново, Тырган.

Суво Суво Суво Суво Суво Суво Суво Суво Суво Онгурены Онгурены Онгурены Онгурены Онгурены Онгурены Онгурены Онгурены Онгурены Усть-Баргузин Усть-Баргузин Усть-Баргузин Усть-Баргузин Усть-Баргузин Усть-Баргузин Усть-Баргузин Усть-Баргузин Усть-Баргузин Хужир Хужир Хужир Хужир Хужир Хужир Хужир Хужир Хужир Турка Турка Турка Турка Турка Турка Турка Турка Турка Тырган Тырган Тырган Тырган Тырган Тырган Тырган Тырган Тырган Заречье Заречье Заречье Заречье Заречье Заречье Заречье Заречье Заречье Иркутск Иркутск Иркутск Иркутск Иркутск Иркутск Иркутск Иркутск Иркутск Турунтаево Турунтаево Турунтаево Турунтаево Турунтаево Турунтаево Турунтаево Турунтаево Турунтаево Кабанск Кабанск Кабанск Кабанск Кабанск Кабанск Кабанск Кабанск Кабанск Листвянка Листвянка Листвянка Листвянка Листвянка Листвянка Листвянка Листвянка Листвянка УЛАН-УДЭ УЛАН-УДЭ УЛАН-УДЭ УЛАН-УДЭ УЛАН-УДЭ УЛАН-УДЭ УЛАН-УДЭ УЛАН-УДЭ УЛАН-УДЭ Бабушкин Бабушкин Бабушкин Бабушкин Бабушкин Бабушкин Бабушкин Бабушкин Бабушкин Талая Талая Талая Талая Талая Талая Талая Талая Талая { { { { { { { { { Кяхта Кяхта Кяхта Кяхта Кяхта Кяхта Кяхта Кяхта Кяхта Закаменск Закаменск Закаменск Закаменск Закаменск Закаменск Закаменск Закаменск Закаменск Рис. 7. Система активного вибросейсмического мониторинга Прибайкалья. В центре – вибратор ЦВО-100. Красные треугольники – мобильные системы регистрации ВИРС-М, РОСА, зеленые четырехугольники – сейсмические станции региональной сети, черные окружности – эпицентры землетрясений Вибромониторингом в режиме зондирования линейными свипами установлено, что наблюдаемые изменения времен пробега сейсмических волн tp, ts и отношения скоростей Vp/Vs не превышают 0,1 % от средних значений и коррелируются по отдельным трассам (Хурамша, Фофоново, Тырган) с сильными землетрясениями (7.08.2002 г., К=11,6) и изменениями сейсмического потока, регистрируемого локальной сетью сейсмостанций. Наиболее контрастные аномалии времен пробега зарегистрированы в области уверенной регистрации преломленных коровых Р и S волн на удалениях «источник– приемник» до 100 км. Для уточнения формы и интенсивности аномалий скоростных характеристик и их отношений необходимы регулярные наблюдения с периодичностью не реже 4 недель, что требует специальных мер по повышению стабильности излучения вибратора в летний период. Полученные экспериментальные результаты подтвердили возможность контроля и изучения геодинамических процессов в центральной части Байкальской рифтовой зоны по вариациям параметров стационарных вибросейсмических полей.

Для оценки возможностей вибросейсмической интерферометрии (Ковалевский и др., 2001) в 2003–2004 г. ГИН и ИВМиМГ СО РАН на Байкальском виброполигоне поставлен ряд экспериментов с целью пробной регистрации когерентного сейсмического излучения как специализированными вибросейсмическими комплексами ВИРС-М и РОСА, так и сейсмостанциями локальной и региональной сетей Прибайкалья, оснащенных обычными электродинамическими датчиками и цифровыми регистраторами типа «Байкал11». В результате экспериментов дискретным перебором определен оптимальный набор гармоник излучения. Спектральным анализом сейсмограмм выявлено, что вибрационный сигнал прослеживается с высокими соотношениями сигнал/шум на окружающих виброисточник станциях: Хурамша, Турунтаево, Онгурены, Тырган, Закаменск.

Последующими регулярными наблюдениями в режиме вибросейсмической интерферометрии установлено, что для повышения точности амплитудно-фазовых измерений требуется исключать фазу становления поля, погрешность измерений для различных сеансов неодинакова и связана с отношением сигнал/шум в каждом конкретном сеансе. Впервые длительными наблюдениями на всех приемных сейсмостанциях выделены плавные понижения разности фаз и повышения амплитуд в летний период, имеющие циклический (сезонный) характер, что подтверждает необходимость учета годовых вариаций амплитудно-фазовых характеристик стационарного вибросейсмического поля при исследовании геодинамических процессов методами сейсмической интерферометрии. Вместе с тем выявлен ряд метрологических проблем в реализации на Южно-Байкальском полигоне вибросейсмического мониторинга, связанных с необходимостью улучшения контроля когерентности источника и синхронизации систем излучения и приема.

ЧАСТЬ II. ОЦЕНКА СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ЗДАНИЙ МЕТОДАМИ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОФИЗИКИ Выявление причин косейсмических деформаций зданий не только имеет огромное прикладное значение для снижения сейсмического риска и ущерба, развития сейсмостойкого строительства, но и представляет значительный интерес с точки зрения исследования нелинейных деформаций блочных сред.

Глава 4. Методика неразрушающих исследований технических систем Колебания механической системы (здания) описываются системой линейных дифференциальных уравнений: M +B +Кy=x (4.1), где М, В, К – матрицы масс, коэффициентов демпфирования и жесткостей; у – вектор перемещений и его производные на выходах системы; х – n-мерный вектор возмущений на входе. Методы численных решения (4.1.) разложением по собственным формам: {y(t)}=, где n – число степеней свободы системы, (t) – нормальные или обобщенные координаты вектора собственных частот и модальных форм, достаточно давно и хорошо разработаны в матричной алгебре. Применительно к динамике зданий собственные числа соответствуют квадратам частоты, а собственные векторы – формам колебаний.

Для линейных колебательных систем величины массы или момента инерции, жесткости, диссипации–потери энергии, являются параметрами самой системы в отличие от амплитуды и фазы колебаний, зависящих от начальных условий. Поскольку система уравнений линейна, то ее решение представимо как сумма решений по отдельным осям координат. Это положение существенно упрощает не только процедуру вычислений, но и измерения: допускается регистрировать каждую из компонент колебаний независимо и использовать три характеристики колебаний.

При решении обратной задачи – нахождения по входному сигналу и реакции на него динамических параметров линейной механической системы (4.1.) весьма продуктивными оказались модальные методы идентификации, активно разрабатывавшиеся в науке и технике в 80–90 гг. преимущественно для единовременных наблюдений (Колинз, 1965; Редько, 1985; Сейдж, 1974).

При модальной идентификации вектор перемещений на выходах системы находится не через дифференциальные операторы (4.1), а на основе свертки: у(t)= (4.2), где – n x n-матрица импульсных переходных функций (ИПФ) системы, а x(t)=[x1(t)….xn(t)]T и y(t)=[y1(t),….yn(t)]T – векторы входных возмущений и ответной реакции системы. По измеряемым с помехами векторам входных сигналов и ответной реакции системы для матричного уравнения Винера-Хопфа: Kyx()=, определяется матрица импульсной передаточной функции, оптимальная в смысле минимума функционала I=M{ -y(t)]T -y(t)]} (4.3), где Kyx(), Kхx() – nn-матрицы корреляционных функций процессов y(t), х(t). Преобразованием Фурье уравнения (4.3) получают уравнение связи между входами и выходами механической системы в частотной области: Syx()=W(i) Sxx() (4.4), где W(i)= d, матрица размерностью nn ЧХ системы, Syx(), Sxx()- nn-матрицы спектральных плотностей входного х(t) и выходного y(t) сигналов. В этом случае задача идентификации решается нахождением матрица ЧХ механической системы из уравнения (4.4) по данным пассивного или активного эксперимента в заданных точках 1, …. N.

Как видно из уравнений (4.3–4.4), математическая основа микродинамического модального метода и метода стоячих волн (Еманов, 1999) – единая. В обоих методах задача сводится к определению c необходимой точностью передаточной характеристики W(i) (или hoi() по А.Ф.Еманову) по сигналам на входе и выходе, зарегистрированным на фоне шумов. Бесспорное новаторство и главное преимущество метода стоячих волн – использование процедуры приведения серий разновременных наблюдений к единому времени по измерениям микросейсмических колебаний на опорной и рядовых точках, передвигаемых по обследуемой системе. Несмотря на возможность реализации плотных систем наблюдений, принятая в методе стоячих волн физическая понятийная база, его первичная ориентация исключительно на дефектоскопию зданий и сооружений по аномалиям амплитуд и частот затруднили использование метода на первом этапе и потребовали его доработки с учетом отраслевых требований. В конечном итоге, при обследовании зданий нами использовались оба метода. Экспериментальные амплитудно-частотные, фазовые характеристики и наблюдаемые модальные формы, как правило, сопоставлялись с данными конечно-элементного моделирования обследуемых сооружений. Для уточнения природы выявленных динамических аномалий проводились дополнительные ультразвуковые и электромагнитные исследования, привлекались кинематические и динамические параметры волнового поля.

Корректировка расчетных динамических моделей потребовала оценки прочностных характеристик дефектов по измерениям in situ кинематических и динамических характеристик сейсмических волн, распространяющихся в объеме здания. Из натурных экспериментов известно, что фазовая скорость ударной волны для каменных, крупнопанельных, железобетонных зданий меняется в диапазоне 200–800 м/с, что существенно ниже, чем скорость сейсмической волны в образце из соответствующего материала. Это явление объясняется присутствием в испытуемых сооружениях структурных неоднородностей (стыков, панелей, колонн, отдельных плит перекрытий и т. д.), напоминающих по устройству блочно-неоднородные среды. В то же время в динамике сооружений известно, что при сейсмическом воздействии перерезывающие силы увеличиваются (до 100 %) при пониженных V скоростях распространения ударных сейсмических волн (Хачиян и др., 1981). Учитывая значительный диапазон скоростных вариаций, по аналогии с сейсмическим мониторингом природных сред следует надеяться на информативность измерений кинематических параметров (фазовой скорости) сейсмических волн при обследовании технических систем.

Для оценки величины фазовой скорости сейсмических волн в зданиях нами предложено использовать свертку во временной области пакета микросейсмических колебаний фиксируемых на входе (на грунте) и наблюдаемых в объеме здания: Ui=1/N. (4.5) Полученные результаты (рис. 8) подтвердили, что во временной области кросс-корреляционный анализ помогает не только выявить динамические особенности в виде нарушения когерентности волнового поля, но и определить скорость распространения ударных волн по смещению корреляционного максимума (фазы колебаний) во времени. Расчеты скорости не требуют постановки каких-либо дополнительных измерений, а используют сейсмические записи, получаемые при наблюдениях по стандартной методике. Вычисление дополнительного параметра – скорости распространения ударных волн, повышает информативность инженерно-сейсмологического обследования.

Рис. 8. Распространение волнового пакета в объеме 9-этажного здания до (слева) и после (справа) вибрационных испытаний точки наблюдения точки наблюдения - виброисточник - сейсморегистратор Рис. 9. Изменения амплитуд (вверху) и фаз (в центре) сейсмических колебаний на нарушениях сплошности (внизу) при увеличении возбуждающей силы виброисточника в сеансах 1–9.

амплитуда, mV 51015сеанс сеанс сеанс сеанс сеанс сеанс сеанс сеанс Фаза, град.

--Известно, что на разрывах амплитудные и фазовые характеристики колебаний зависят от отношения жесткости трещины к сейсмическому импедансу вмещающей породы (Shoenberg, 1980). Измерениями кинематических и динамических характеристик сейсмических волн на разломах при взрывных испытаниях различной мощности установлена достоверность оценки нормальной жесткости межблоковых границ горных массивов с помощью приближенного выражения: kn=С/(Tp ), (4.6) где Tp – период основных фаз, С – скорость продольной волны, К=V0m/V2m – отношение максимальных скоростей смещения до и после разлома (Кочерян, 2003).

Результаты наших экспериментов при различных динамических нагрузках с заверкой прочностных характеристик вмещающей среды и дефектов ультразвуковыми просвечиваниями и методом отскока подтвердили достоверность расчетов нормальной жесткости kn в строительных конструкциях по формуле (4.6). Установлено, что влияние узких нарушений сплошности (много меньших длины сейсмической волны) на сдвиг фазы, амплитуду и частотного состав волны существенно проще фиксируется инструментально, чем измерения средней скорости распространения сейсмических волн (см.

рис. 8, 9). Выполненные эксперименты обосновывают эффективность контроля когерентности и синфазности колебаний для локализации дефектных узлов в объеме испытуемого здания, где происходит переход к нелинейной стадии деформирования.

В результате адаптации метода стоячих волн стало возможным на основе измерений частот, амплитуд и фаз свободных колебаний проводить однозначную идентификацию модальных форм и тем самым использовать динамические и кинематические характеристики волнового поля для верификации конечно-элементных моделей разнотипных зданий, оценки на экспериментальной основе сейсмостойкости и определения остаточного ресурса сооружений в сейсмоопасных районах.

Глава 5. Экспериментальная оценка возможностей динамического мониторинга зданий в режимах активного и пассивного экспериментов Для обоснованной оценки текущего уровня сейсмостойкости массовой застройки важно не только сопоставить измеренные в режиме свободных колебаний динамические характеристики обследуемых объектов с параметрами «эталонных» недеформированных зданий-представителей, но и прогнозировать характер разрушений при сильном землетрясении.

Микродинамическим модальным способом можно оценивать параметры (величины массы или момента инерции, частоты/жесткости, диссипации/потери энергии) механической системы в линейной области деформаций. При вибрационном воздействии на реальные инженерные сооружения возникают некоторые отклонения от линейного закона деформирования по причине накопления неупругих деформаций, нелинейности восстанавливающей силы, рассеяния энергии либо их совместным действием. По окончании динамического воздействия, вследствие образования пластических деформаций и локальных разрушений, нелинейности проявляются в изменении периодов свободных колебаний и параметров диссипации.

КДУ Для оценки возможнопродольное направление стей модального метода при 2,мониторинге состояния зда- до испытаний ний была реализована специ- после испытаний 2,альная программа исследова3,ний, включающая детальные 8,измерения «до», «под нагруз2,2,кой» и «после» испытаний 97,3,2 7,7,этажной блок-секции серии 2,4,1.120с, продвигаемой ОАО 1 2 3 4 5 6 7 8 Гц «Иркутскгражданпроект» в КДУ качестве прототипа массовой поперечное направление жилой застройки в сейсмиче3,ских районах Прибайкалья.

2,- до испытаний Микродинамическим обсле8 - после испытаний дованием трех построенных 2,3,однотипных зданий серии 12,2,120с выявлена близость на9,блюдаемых и расчетных час2 2,тот, в том числе крутильных 3,4,2,(по трехмерной конечно1 2 3 4 5 6 7 8 9 Гц элементной модели ЦНИИСК).

Рис.10. Амплитудно-частотные характеристики Усиление несущего каркаса 9-этажного здания серии 1-120с до и после вибвведением дополнительных рационных испытаний продольных и поперечных диафрагм жесткости отмечается повышением частот и изменением пространственных форм колебаний.

На уровне микродинамических нагрузок «до» испытаний обнаружено разделение штепсельными стыками колонн каркаса по высоте: 1) от фундамента до уровня пола 2 этажа; 2) от пола 2 этажа до пола 5 этажа; 3) от пола этажа до пола 8 этажа; 4) от пола 8 этажа до покрытия 9 этажа (рис.11). При приложении динамической нагрузки зарегистрированы первые формы колебаний по продольным и поперечным осям и крутильная форма на частоте 2,86 Гц. В ближней зоне вибромашины наблюдались кососимметричные колебания покрытия с амплитудой до 5 мм на частоте 6–8 Гц. Наиболее заметное влияние на поведение блок-секции при вибрационных испытаниях, в том числе на ее формы колебаний, оказало наличие дефектных стыков колонн «штепсельного» типа на 8 этаже.

Повторными микродинамическими измерениями по завершению циклов воздействия вибромашиной (интенсивностью до 7 баллов) отмечено существенное (до 20–26 %) понижение частоты в продольном и поперечном нн направлениях поступательных, поступательно-поворотных и крутильных форм (см. рис. 10). По штепсельным стыкам здание «расслоилось» на три объема, взаимодействие между которыми из линейной области перешло в нелинейную. Максимальные понижения частоты/жесткости зафиксированы, как и предполагалось, на верхних 8–9 этажах здания, в зоне максимальных динамических нагрузок от вибромашины (см. рис.11). Результаты микродинамического обследования «до» и «после» вибрационных испытаний подтвердили ненадежность «штепсельного» стыка. В целом каркас испытуемого здания не отличается симметричным распределением жесткости и масс и обладает крутильными колебаниями, что подтверждается как математическим моделированием, так и экспериментальными наблюдениями в режиме свободных колебаний и под «нагрузкой».

До воздействия После воздействия Форма поперечного колебания 2,4 - 2,55 Гц Форма поперечных колебаний.2,5 - 2,75 Гц.

Z 9 Z 1 - этаж 1 - этаж АВ1 Б1 ВА1 БY Y Рис. 11. Вторая форма собственных колебаний (по поперечному направлению) 9 этажного здания «до» и «после» вибрационного воздействия Для объяснения различий более чем на 50 % частоты резонансных колебаний под «нагрузкой» и собственных частот по 1–3 формам для испытуемого здания предложена нелинейная модель с понижающейся под нагрузкой жесткостью из-за выключения связей кирпичного заполнения и ж/б каркаса или образования пластических шарниров на сочленении колонн и перекрытий. После снятия нагрузки на уровне микродинамического воздействия упругие характеристики каркаса частично восстанавливаются.

Натурными экспериментами установлена высокая информативность модального метода при исследовании объемного распределения амплитудночастотных, фазовых характеристик в рамках линейных моделей и на упругой стадии деформаций зданий. Присутствующие нелинейности в зданиях отмечаются нарушениями когерентности и сдвигом фаз сейсмических колебаний при различных уровнях динамических нагрузок (см. рис. 9;11).

Натурные испытания с применением мощных вибраторов, взрывов, деформированием их гидравлическими домкратами и т. п. считаются уникальными экспериментами, на основе которых сложно собрать представительную базу данных по нелинейным деформациям зданий и сооружений при сильных динамических нагрузках. Более доступной в сейсмоопасных районах может быть регулярная (после сильных местных землетрясений) инструментальная дефектоскопия зданий-представителей.

На примере повторных обследований комплекса зданий Национального банка Бурятии (НББ) до (1997 г.) и после (2001 г.) воздействия серии сильных землетрясений из Южно-Байкальской очаговой зоны подтверждены возможности мониторинга деформаций зданий микродинамическим модальным методом. По картам изменений динамических параметров (частот, амплитуд, фаз и логарифмических декрементов) выделены зоны с аномальными характеристиками. При сравнительном анализе с результатами обследования 19г. зафиксировано уменьшение поперечной жесткости (по направлению EW сейсмического воздействия) главного корпуса на 11 %, деление здания на отдельные блоки (рис. 12). Для пристроя частота первой формы по EWкомпоненте уменьшилась до 4,94 Гц ( =0,32), из-за изменения внутренних упругих связей появился дополнительный резонанс на частоте 5,44 Гц (см.

рис. 12). Наибольшее понижение частот (от 5,2 до 4,85 Гц) произошло в верхней части пристроя и на примыкании к главному корпусу. Частоты и логарифмический декремент первой модальной формы по NS-компоненте Пристроя и Главного корпуса остались неизменными (по первой форме сохранились неизменными). Нормированные на ускорения первого этажа амплитуды модальных форм возросли (поперечных колебаний в 2 раза, продольных – в 3 раза, вертикальных – в 2 раза), что, вероятнее всего, связано с повышением жесткости грунтов основания из-за низкого уровня грунтовых вод в 2001г.

Пристрой Главный корпус КДУ КДУ EW EW 1997 г. 2001 г.

1997г. 2001г.

2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Частота, Гц.

Частота, Гц.

КДУ КДУ Главный корпус NS Пристрой NS 1997 г. 2001 г.

1997г. 2001г.

2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Частота, Гц.

Частота, Гц.

Рис.12. Изменение амплитудно-частотных характеристик комплекса зданий Национального банка за 1997–2001 гг.

Полученные микродинамическим способом результаты подтверждают, что наряду с естественными процессами снижения прочностных характеристик под влиянием природно-климатических факторов, в сейсмоактивных районах из-за многочисленных местных землетрясений идет постоянное накопление деформаций в конструкциях жилых и производственных зданий.

При своевременном обнаружении критического уровня деформаций, планировании и выполнении превентивных мероприятий (сейсмоусиление, перепрофилирование и др.) уязвимость зданий и сооружений может стать управляемым параметром, что позволит снизить прогнозируемый экономический ущерб и предотвратить возможные потери и разрушения. Практическую ценность могут иметь и рекомендации по преимущественной ориентации жилой застройки г. Улан-Удэ относительно известных очаговых зон: при Южно-Байкальском землетрясении 1999 г. максимальные деформации здания получили вдоль направления сейсмического воздействия EW (западвосток).

ГЛАВА 6. Результаты инструментального обследования разнотипной застройки Прибайкалья В процессе апробации микродинамического метода в городах Прибайкалья проведено обследование четырех групп зданий, в том числе подвергшихся воздействию сильных местных землетрясений: 1) здания – памятники архитектуры; 2) здания с массовым пребыванием людей постройки 1930– 1980 гг.; 3) жилые дома первых массовых серий постройки 1960–1980 гг.; 4) современная застройка.

Здания – памятники архитектуры. При обследовании микродинамическим модальным способом установлено, что известные по историческим описаниям местных землетрясений сильные косейсмические деформации старинных церквей (Улан-Удэ, Иркутск) являются следствием их конструктивного решения: объединения в едином объеме колокольни, трапезной, церкви, апсиды, имеющих различные геометрические размеры, высоту и отличающихся распределением масс и жесткостей (рис.13). Нарушения сплошности стен, сводов и других конструкций хорошо диагностируется по экранированию (уменьшению амплитуд) отдельных форм и сдвигу фаз собственных колебаний. Трехмерными микродинамическими измерениями восстанавливаются крутильные колебания высотных объемов, присутствие которых инициирует на верхних ярусах интенсивное растрескивание замков оконных и дверных перемычек, разрушение сводов, падение крестов и другие. сильные деформации при местных землетрясениях. Критическими по сейсмостойкости конструкциями являются повышенной высотности самонесущие кирпичные стены колоколен и церквей. Образовавшиеся в результате многократных динамических воздействий системы трещин в несущих стенах и сводах в большинстве случаев работают как антисейсмические швы и позволяют различным частям сооружений относительно свободно перемещаться друг относительно друга при сильных динамических воздействиях. Полученный массив динамических характеристик использован для разработки проектов усиления, а в перспективе – для оценки качества реставрационных работ и мониторинга памятников архитектуры.

Колокольня Церковь Трапезная Апсида А Б В MAX MIN Рис.13. Распределение динамических характеристик первой поперечной формы (2,3 Гц) по нижнему своду Свято-Одигитриевского собора (г.

Улан-Удэ) Здания с массовым пребыванием людей постройки 1930–1980 гг.

Инструментальным обследованием подтверждена высокая сейсмическая уязвимость школ, больниц и других общественных зданий этой группы. Сложной в плане формы здания, как правило, не разделены на отдельные объемы, что существенно снижает их сейсмостойкость. Лестничные клетки с объемными помещениями, колоннады и архитектурные элементы зачастую буквально «разрезают» здания на отдельные объемы, что создает повышенную угрозу обрушения путей эвакуации и хорошо фиксируется нарушениями когерентности и изменениями амплитуд и фаз колебаний. Здания отличаются асимметричным распределение жесткостей и масс; повышенной податливостью несущих стен (не имеющих усиливающих конструктивных элементов);

отсутствием жестких дисков перекрытий. Размещение большеобъемных помещений (актовых и спортивных залов, операционных и т. п.) преимущественно на верхних уровнях существенно снижает поперечную жесткость таких зданий, инициирует максимальные перемещения и деформации перекрыЛ о г а р и ф м д и ч е к е р с е к и м й е н т з а т у х а н и я Ч а с т о т а А м п л и т у д а тий и межоконных простенков, создаёт интенсивные крутильные колебания на торцевых стенах и способствует обрушению конструкций при землетрясении.

В частности, для П-образной в плане школы № 40 – типовой постройки 1950–1970 гг. установлено, что жесткости самонесущих стен учебного корпуса имеют значительный дефицит: при частоте первой моды 2,86 Гц- индикаторной для аварийного объекта- аналога, колебания обследуемого здания фиксируются на существенно более низких частотах 2,0–2,62 Гц. Сравнением динамических характеристик установлено, что за период 1993–2004 гг., когда в г. Улан-Удэ зарегистрировано более 33 землетрясений с макросейсмической интенсивностью 1–4 балла по шкале MSK-64, произошло уменьшение продольных и поперечных жесткостей на 15–21 % учебного корпуса;

на 33–39 % левого и правого блоков. Размещение на четвертом этаже учебного корпуса актового и спортивного залов с различающимися частотами поперечных колебаний (соответственно 4,12 и 2,0 Гц) инициировало интенсивное деформирование несущих стен в виде косых трещин в межоконных простенках, доходящих до 2–3 этажей здания. Расчетно-аналитические исследования с помощью программы SCAD подтвердили низкую сейсмостойкость 4этажного кирпичного здания. На основе трехмерного конечно-элементного моделирования предложен вариант сейсмоусиления за счет демонтажа всего четвертого этажа, существенно улучшающий динамические характеристики учебного корпуса школы.

При обследовании Оперного театра выделено 32 моды (формы) собственных колебаний зрительской и сценической частей, перекрытий и лестничных клеток в диапазоне частот 3,88–9,44 Гц. Отмечена близость частот первых, наиболее интенсивных форм собственных колебаний зрительской и сценической частей по продольному направлению – 4,06–4,13 Гц. Существенное отличие поперечных частот (3,87–4,5 Гц) инициирует деформирование смежных частей театра при направлении с.-ю. сейсмического воздействия. По сдвигу фаз колебаний выявлено разделение железобетонных дисков перекрытий фойе на 5 частей: 1) восточный лестничный блок; 2) восточная часть диска; 3) сопряжение с порталом главного входа; 4) западная часть фойе; 5) западный лестничный блок. На сопряжении сферической и цилиндрической частей оболочки купола, выполненных без разрыва, предполагаются значительные деформации при интенсивном сейсмическом воздействии.

По характеру модальных форм и изменению фаз обнаружены трещины и иные дефекты в средней части и на опираниях несущих ж/б ферм, подтвержденные георадарными, ультразвуковыми зондированиями и визуальным обследованием. Для лестничных блоков выявлена горизонтальная податливость, способствующая интенсивным деформациям на сопряжениях со зрительской частью. Ультразвуковым методом установлены значительные отклонения от проекта: «опорное кольцо» купола зрительского зала, считавшееся железобетонным, выполнено из дерева и не обладает необходимой прочностью; «бутафорскими» оказались «несущие» балки обоих лестничных клеток, примыкающих к фойе. Георадарными зондированиями оценен шаг армирования, обнаружены пустоты и раковины в бетоне, дефекты в устройстве перемычек оконных проемов, существенно снижающие прочность несущего каркаса театра, уточнены размеры сечений (ниже проектных) колонн зрительного зала и лестничных клеток. Результаты исследований комплексом неразрушающих методов (микродинамических, акустических и георадарных) полностью подтвердились последующим инженерным обследованием и были использованы при доработке проекта сейсмоусиления театра.

Жилые дома первых массовых серий постройки 1960–1980 гг. В г.Улан-Удэ в 4–5 кирпичных домах серии 1-306с постройки 1958–1962 гг. с проектной сейсмичностью 7 баллов проживает не менее 60 тыс. человек.

На примере обследования аварийного дома № 36 и домов № 38,40 серии 1-306с строительства 1959–1963 гг. отработана методика инструментального обследования, сочетающая динамические испытания и геодезический контроль габаритов зданий. Динамическими испытаниями отмечены наиболее характерные дефекты зданий серии 1-306с: локальные ослабления фундаментов основания, деформации несущих продольных стен, перекрытий, создающие асимметрию жесткого каркаса и крутильные моменты.

Наибольшую социальную проблему в городах Прибайкалья представляют 5-этажные жилые дома серии 1-335АС с проектной сейсмичностью баллов, строительства 1963–1983 гг.,.в которых проживает более 300 тыс.

человек. Микросейсмическими измерениями и трехмерным моделированием для зданий-представителей серии 1-335АС подтверждено, что их конструктивная схема отличается недостаточной жесткостью в продольном, особенно в поперечном, направлениях, перекрытия обладают внепроектной горизонтальной податливостью, что в совокупности ослабляет здание при горизонтальном сейсмическом воздействии. Понижения жесткости большинства обследованных зданий относительно расчетной модели составляют 20–30 %, что отображает степень износа обследуемых зданий-представителей. Конструктивно, из-за отсутствия внутренней продольной несущей стены, в зданиях этой серии заложена меньшая жесткость по продольной оси, что подтверждается пониженной частотой поступательной формы продольных колебаний.

Микродинамическим способом для этой серии фиксируются интенсивные поворотно-поступательные формы из-за несовпадения в плане центра жесткости с центром масс здания и смещения лестничных клеток относительно средней продольной оси. Лестничные клетки проявляются инерционными неоднородностями и недостаточно связаны с остальными частями каркаса, что вызывает деформации сопряженных элементов. Усиливают крутильные деформации присутствие дефектных узлов сопряжений колоннаригель и понижений жесткости (разрушения наружного слоя) несущих перлитобетонных стен северной экспозиции обследуемых зданий. Наблюдаемая на отдельных зданиях «ячеистая» структура распределения амплитуд поперечных колебаний, особенно в верхней части здания, свидетельствует о многочисленных деформациях наружных стен и каркаса.

Современная застройка. Разрушительные землетрясения 1999–20гг. в Турции, Иране, Тайване, Индии, Китае показали дефицит сейсмостойкости не только старых зданий, но и относительно новых, построенных в соответствии с существующими строительными нормами.

На примере 5-этажного жилого дома в г. Шелихове продолжены исследования динамических особенностей безригельного каркаса серии 1.120с.

Измерениями выделено 7 различных форм собственных колебаний в диапазоне частот 3,75–8,06 Гц, наибольшими амплитудами (весами) отличаются первые поступательные формы поперечных (3,87 Гц) и продольных (4,44 Гц) колебаний. Выделено две интенсивных формы крутильных колебаний (5,19 и 5,69-5,81 Гц), обнаружено деление колонн на три части по штепсельным стыкам на отметках в уровнях 2,68 и 5,68м. С учетом уже ставших «типовыми» дефектов штепсельных стыков – определяющих нелинейные, шарнирные движения колонн каркаса серии 1.120с, представляется конструктивно- необоснованным сосредоточение возможных дефектов в «слое штепсельных стыков», образованном коротышами колонн, смонтированными между высотными отметками 2,68 -5,68м.

Обследованием новостройки – 10-этажного жилого дома (г. Улан-Удэ) показал, что пониженная жесткость сборно-монолитного ригельного каркаса с кирпичным заполнением обусловлена крайне низким качеством строительно-монтажных работ: отступлениями от проекта в уровне 4 этажа; несоблюдение технологии укладки бетона в зимних условиях; нарушениями устройства сварных стыков и их конструкций; низким качеством строительных материалов и т. п. Дефектное здание обладает значительной гибкостью, что способствует повышенным перемещениям верхней части здания при сейсмическом воздействии. В модальных формах присутствует интенсивная крутильная компонента (3,19 Гц), инициирующая деформации торцевых частей.

Низкое качество исполнения монолитных стыков колонн и ригелей способно вызвать смещение и перекос отдельных этажей обследуемого здания.

Динамические характеристики высотной монолитной застройки исследовались на примере 16-этажного жилого дома (г. Улан-Удэ). Выделено различных форм собственных колебаний в диапазоне от 1,25 Гц до 14,62 Гц (рис. 14). Наибольшей интенсивностью отличаются первые формы собственных колебаний в продольном (1,38 Гц) и поперечном направлении (1,25 Гц), а также крутильная форма на частоте 2,37 Гц, не учтенная в первоначальной расчетной модели здания. Низкие частоты собственных колебаний подтверждают смещение максимума сейсмической реакции здания в длиннопериодную область, характерную для удаленных землетрясений. Сопоставлением измеренных динамических характеристик (периодов, нормированных амплитуд модальных форм) установлено их хорошее совпадение (с точностью 5–%) с расчетными значениями для первых четырех, наиболее значимых форм собственных колебаний при предположении защемленного основания. Инструментальными измерениями подтверждено, что перемещения опорных узлов колонн, поддерживающих диски межэтажных перекрытий, соответствует проектному решению. Вычисленные фазовые скорости распространения ударных волн vp= 504–560 м/с подтверждают высокую жесткость монолитного здания.

1.2.5.9.10.13.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 частота, Гц 1,38 Гц 2,38 Гц 5,31 Гц 9,82 Гц Рис. 14. Амплитудно-частотные характеристики и модальные формы поперечных колебаний 16-этажного здания из монолитного железобетона Несмотря на хорошее совпадение измеренных характеристик здания расчетной модели, микродинамическими измерениями выявлены отдельные особенности, в некоторой степени меняющие работу несущего каркаса при сейсмическом воздействии (область аномального увеличения параметров затухания в уровне пола 6 этажа, на границе нагруженной нижней и более разгруженной верхней частей высотного здания).

Созданная при обследовании разнотипных зданий база данных не только демонстрирует преимущества и возможности микродинамического мониторинга, но и формирует «дерево отказов» (типовых дефектов и деформаций) существующей застройки. Сопоставление экспериментальных и расчетных характеристик в линейной области микродинамических воздействий позволяет проверить адекватность расчетных математических моделей, применяемых при проектировании, и корректировать их с учетом измеренных in situ прочностных характеристик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе на основе созданной системы активного и пассивного геофизического мониторинга изменения напряженно-деформированного состояния природных и технических систем решена научная задача по информационному обоснованию превентивных мероприятий для обеспечения сейсмобезопасности Юго-Восточного Прибайкалья.

В результате повышения представительности Селенгинской системы активного и пассивного мониторинга за счет регистрации слабой местной сейсмичности и микроземлетрясений изучена блоково-разрывная структура Селенгинской зоны, оценены скорости деформации по отдельным разломам коэффициент передачи и выявлен индикатор перехода из линейного режима в метастабильное состояние.

Анализ распределения эпицентров и механизмов слабых землетрясений позволил выделить в пределах считавшейся ранее единой Селенгинской очаговой зоны две подзоны: Посольскую и Сухинскую. Посольская подзона преимущественно сдвиговых деформаций имеет субмеридиональное направление и отмечается локальными пологими погружениями сейсмофокальных структур в северо-восточном и юго-восточном направлениях. Сухинская подзона характеризуется в основном раздвиговыми механизмами деформаций, свидетельствующими о продолжающемся растяжении Байкальского рифта.

Для Сухинской подзоны скорость распространения деформаций в северо-восточном направлении по миграции кластеров землетрясений оценивается в 63.15 м/сутки и близка к скорости 72 м/сутки вспарывания в обратном, юго-западном направлении Ольхонского и Святоносского разломов, установленной при подготовке землетрясения 10 октября 2001 г., магнитудой М=5,0 в районе залива Провал. После завершения активизации в мае 2007 г. в Селенгинской зоне резко снизился поток малоэнергетических событий. Подобные метастабильные ситуации, с уменьшением потока низкоэнергетических событий после образования двух-трех кластеров, наблюдались Г.А.Соболевым за 1–3 года перед крупными землетрясениями в очаговых зонах Камчатки и Японии.

На основе детального изучения процессов релаксации сейсмотектонической энергии спрогнозировано слияние локальных дефектов и повышение уровня геодинамической опасности по линии «Истомино–Заречье». Дальнейшее развитие очагового процесса сопровождалось слиянием двух пространственно разделенных кластеров («Заречье» и «Истомино») и постепенным (со скоростью 72 м/сутки=2·10-6км/с) формированием зоны разрушения, что соответствует медленным (10-5–10-7 км/с) скоростям движений в блоковой коре. Слияние двух активизированных участков и начало разрушения межбарьерной перемычки отмечалось 10 октября 2001 г. землетрясением в районе залива Провал магнитудой М=5,0.

При наблюдениях пространственно-временных нестационарностей сейсмического потока на примере сценариев Южно-Байкальского землетрясения 1999 г.; формирования зоны разрушения землетрясения 10 октября 2001 г. в районе зал. Провал М=5,0; миграции кластеров землетрясений в 2003–2007 гг. на фланги Селенгинской зоны доказано существование конечных скоростей деформирования блочных сред, отрицающих спонтанное разрушение геосред и подтверждающих возможность реализации среднесрочного прогноза силы и места сильного землетрясения.

Выявленные пространственно-временные особенности слабой сейсмичности для очаговых зон Южного и Среднего Байкала в виде миграции кластеров микроземлетрясений в краевые части разломных зон и на периферию асейсмичных перемычек являются индикаторами перехода контролируемых открытых природных систем из линейного режима в метастабильное состояние.

В результате многолетних детальных сейсмологических наблюдений, дешифрирования АКФС, морфоструктурного анализа рельефа дна оз. Байкал и данных многоканального сейсмического профилирования составлена «Схема активной тектоники и сейсмичности Селенгинской очаговой зоны», необходимая для интерпретации рядов активного (вибросейсмического) и пассивного геофизического мониторинга в центральной части Байкальского рифта.

Для изучения возможного влияния на изменения напряженнодеформированного состояния литосферы во время геодинамической активизации 2000–2002 гг. выполнен Вейвлет- и Фурье-анализ магнитного поля Земли для станций Южно-Байкальского полигона. В коротковолновой области исходного магнитного поля Т и разностного Т выявлены 24-, 12- и 8часовые солнечно- суточные вариации Sq. 6-7 часовые «лунно-суточные» Lвариации проявляются в декабре-марте, при минимуме солнечной активности. Вейвлет-анализом в длинноволновой области установлены изменения частотного состава в полосе 28–40 суток, не имеющие четко выраженной сезонной составляющей. Отмечены случаи (перед землетрясением 30.05. 20г.) синхронизации прохождения короткопериодных вариаций и изменения интенсивности длиннопериодных (28–40 суток) гармоник.

По площадным тектономагнитным измерениям локализовано несколько аномалий, характеризующихся сильными флуктуациями. Наибольшей контрастностью и изменчивостью во времени отличаются субмеридиональные пересечения крупными разломами Джидино-Витимского шва, выделяемые по дешифрированию аэрокосмоснимков и геофизическим данным.

Вблизи одного из пересечений располагался очаг Оронгойского (Тарбагатайского) землетрясения 1980 г. – М=5; J0= 7 баллов.

Наряду с процессами кластеризации, в Селенгинской зоне на протяжении трех лет (2004–2006 гг.) отмечается усиление слабой сейсмичности в период с октября по апрель, вероятнее всего, инициированное понижениями уровня Байкала при срабатывании Иркутской ГЭС аккумулированной массы воды. Другим возмущающим фактором могут быть проявления лунносуточных L-вариаций, наблюдаемые в магнитном поле Земли в декабремарте на фоне минимумов солнечной активности. Вне зависимости от энергетического источника проявление триггерных процессов является дополнительным свидетельством перехода системы в метастабильное состояние.

Экспериментально подтверждена возможность регистрации когерентного сейсмического излучения управляемого виброисточника ЦВО-100 не только специализированными вибросейсмическими комплексами ВИРС-М и РОСА, но и цифровыми сейсмостанциями локальной и региональной сетей Прибайкалья, что позволило организовать регулярный активный сейсмомониторинг на площади свыше 20 000 кв. км и контролировать не только разные направления, но и различные объемы сейсмогенерирующей среды.

Впервые длительными наблюдениями на всех приемных сейсмостанциях выделены сезонные вариации амплитудно-фазовых характеристик стационарного вибросейсмического поля (плавные понижения разности фаз и повышения амплитуд в летний период) и показана необходимость их учета при исследовании геодинамических процессов методами сейсмической интерферометрии. Вибромониторингом в режиме зондирования линейными свипами установлены амплитуды аномалий времен пробега и отношений продольных/поперечных скоростей (не более 0,1 % средних значений), коррелируемые по отдельным трассам с сильными землетрясениями и изменениями сейсмического потока Селенгинской очаговой зоны.

Для инструментальной дефектоскопии зданий и сооружений апробирован комплекс неразрушающих электромагнитных, сейсмических, акустических методов, позволяющий выделять аномалии в объеме обследуемых объектов, оценивать их природу и на основе динамических расчетов определять износ и сейсмостойкость обследуемых зданий. Сопоставление экспериментальных и расчетных характеристик в линейной области микродинамических воздействий позволяет проверить адекватность расчетных математических моделей, применяемых при проектировании, и корректировать их с учетом измеренных in situ прочностных характеристик. Вибрационными испытаниями и повторными микродинамическими обследованиями после местных землетрясений установлена информативность локальных нарушений линейной структуры волнового поля (понижений когерентности, аномалий фаз и амплитуд) при дефектоскопии технических систем. В результате доработки микродинамического модального метода измерения переориентированы на определение триады параметров: вектора собственных частот; амплитудных (веса модальных форм) и фазовых характеристик свободных колебаний. Реализованный подход позволил восстанавливать и однозначно идентифицировать значимые моды собственных колебаний; сопоставлять измеренные и вычисленные динамические характеристики; корректировать методом подбора расчетные модели и оценивать на их основе текущую сейсмостойкость зданий.

Для оценки величины фазовой скорости сейсмических волн в зданиях предложено использовать свертку во временной области пакета микросейсмических колебаний, фиксируемых на входе (на грунте) и наблюдаемых в объеме здания. Расчеты скорости не требует постановки каких-либо дополнительных измерений, а использует сейсмические записи, получаемые при наблюдениях по стандартной методике. Вычисление дополнительного параметра – скорости распространения ударных волн, повышает информативность инженерно-сейсмологического обследования.

Результаты проведенных экспериментов при различных динамических нагрузках с заверкой прочностных характеристик вмещающей среды и дефектов ультразвуковыми просвечиваниями и методом отскока подтвердили достоверность расчетов нормальной жесткости kn, нарушений сплошности строительных конструкций по отношениям амплитуд. Установлено, что влияние узких нарушений сплошности (намного меньше длины сейсмической волны) на сдвиг фазы, амплитуду и частотного состав волны существенно проще фиксируется инструментально, чем измерения средней скорости распространения сейсмических волн.

В процессе апробации микродинамического метода в городах Прибайкалья проведено обследование четырех групп зданий (около 70 объектов), в том числе подвергшихся воздействию сильных местных землетрясений: 1) здания – памятники архитектуры; 2) здания с массовым пребыванием людей постройки 1930–1980 гг.; 3) жилые дома первых массовых серий постройки 1960–1980 гг.; 4) современная застройка. На представительном массиве экспериментальных данных показано, что усилению косейсмических деформаций всех групп зданий-представителей способствует несимметричное распределение масс-жесткостей, подвижность перекрытий, повышенная проемность и высота несущих стен и диафрагм жесткости, создающих интенсивные крутильные колебания и нелинейности волнового поля в объеме сооружения. Сопоставлением экспериментальных частот и модальных форм с параметрами расчетных верифицированных динамических моделей установлено снижение (до 20–30 %) начальной жесткости, сформировано «дерево отказов» и обоснована необходимость сейсмоусиления или перепрофилирования жилых домов и зданий с массовым пребыванием людей постройки 1950– 1980 гг.

Полученные микродинамическим способом результаты подтверждают, что наряду с естественными процессами снижения прочностных характеристик под влиянием природно-климатических факторов, в сейсмоактивных районах из-за воздействия многочисленных местных землетрясений идет постоянное накопление деформаций в конструкциях жилых и производственных зданий. При своевременном обнаружении критического уровня деформаций, планировании и выполнении превентивных мероприятий (сейсмоусиление, перепрофилирование и др.) уязвимость зданий и сооружений может стать управляемым параметром, что позволит снизить прогнозируемый экономический ущерб и предотвратить возможные потери и разрушения.

Детальное изучение сценариев развития конкретных очаговых зон в сочетании с инструментальным мониторингом состояния технических систем позволит в условиях ограниченности имеющихся сил и средств эффективно планировать и реализовывать «адресные» долго- и среднесрочные мероприятия по снижению сейсмического риска на территории Прибайкалья.

Основные работы по теме диссертационного исследования 1. Татьков Г.И., Ремпель Г.Г. Полиноминальная параметризация в обратной гравиметрической задаче // Геология и геофизика. –1984. – № 4. – С. 99–104.

2. Татьков Г.И. Полиноминальная параметризация решения обратной гравиметрической задачи для тел, ограниченных размеров по простиранию // Геология и геофизика. – 1984. – № 7. – С. 127–132.

3. Резанов И.Н., Татьков Г.И., Коломиец В.Л., Нефедьев М.А., Чебаков Г.И. Поле напряжений и сейсмоактивные элементы Селенгинского участка Южно-Байкальского геодинамического полигона // Геологическая среда и сейсмический процесс : мат-лы всерос. межрег. конф. – Иркутск, 1997. – С. 139–142.

4. Бах А.А., Данилов И.А., Кузьменко А.П., Сабуров В.А., Баранников В.Г., Еманов А.Ф. Татьков Г.И. Результаты инженерносейсмологического обследования зданий в аварийном состоянии // Методы изучения, строение и мониторинг литосферы : мат-лы междунар. конф. (Новосибирск, 6–13 сентября 1998г.). – Новосибирск, 1998. – С. 35–41.

5. Резанов И.Н., Татьков Г.И., Коломиец В.Л., Нефедьев М.А., Чебаков Г.И., Булгаков С.Б. Структурно-геологические исследования активной тектоники в Усть-Селенгинской впадине // Вестник Бурятского Университета. – 1998. – Сер. 3, вып.2. – С. 15–29.

6. Дядьков П.Г., Мандельбаум М.М., Татьков Г.И., Жирова Н.В., Ларионов В.А., Низамутдинов Р.С., Чебаков Г.И. Особенности развития сейсмотектонического процесса и процессов подготовки землетрясений в центральной части Байкальской рифтовой зоны по результатам тектономагнитных наблюдений // Геология и геофизика. – 1999. – Т. 40. – С. 346–359.

7. Татьков Г.И., Баранников В.Г., Данилов И.А., Крыжановский А.Ф., Бах А.А. Инструментальный контроль зданий-представителей серии 1306с г. Улан-Удэ // Строительный комплекс востока России: проблемы, перспективы, кадры : тр. межрег. науч.-практ. конф. – Улан-Удэ, 1999. – С. 126– 136.

8. Татьков Г.И., Чебаков Г.И., Булгаков С.Б., Минеев А.В. Результаты геомагнитных исследований на Забайкальском полигоне Бурятии // Состояние и перспективы развития минерально-сырьевого и горнодобывающего комплексов Республики Бурятия : мат-лы всерос. совещ., апрель 1999 г. – Улан-Удэ,1999. – С.114–120.

9. Резанов И.Н., Татьков Г.И., Коломиец В.Л., Нефедьев М.А., Чебаков Г.И. Оценка сейсмотектонической активности блоково-разрывных структур Усть-Селенгинской депрессии (восточное побережье оз. Байкал) // Общие проблемы тектоники. Тектоника России : мат-лы XXXIII тектонического совещ., 2000 г. – М., 2000. – С. 424–427.

10. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А., Чебаков Г.И., Толочко В.В. Территориально-распределенная система детальных сейсмонаблюдений Прибайкалья // Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий – Новосибирск, 2000. – С.

247–250.

11. Татьков Г.И., Чебаков Г.И., Тубанов Ц.А., Белобородов А.В., Базарова Л.Д. Инструментальное обследование Свято-Одигитриевского собора (г. Улан-Удэ // Сейсмические опасность и воздействие : мат-лы всерос. совещ., (Иркутск, октябрь 2000 г.). – Иркутск, 2000. – С. 77–79.

12. Татьков Г.И. Особенности развития процесса в зоне ЮжноБайкальского землетрясения 25 февраля 1999 года // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород : мат-лы 1-ой междунар. школысеминара. – Красноярск, 2001. – С.143.

13. Дядьков П.Г., Михеев О.А., Мандельбаум М.М., Татьков Г.И., Жирова Н.В., Чебаков Г.И. Новый этап активизации сейсмического процесса в Байкальской рифтовой зоне и его отражение в результатах тектономагнитного мониторинга // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород : мат-лы 1-ой междунар. школы-семинара. – Красноярск, 2001. – С.124.

14. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А. Опыт сейсмологического мониторинга в близреальном времени Южно-Байкальского землетрясения 1999 года // Третьи геофизические чтения им. В.В.Федынского : тез. науч. конф., февраль 2001 г. – М., 2001. – С. 35–36.

15. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А. Особенности сейсмического процесса в очаговой зоне Южно-Байкальского землетрясения 1999 года // Третьи геофизические чтения им. В.В.Федынского : мат-лы науч. конф., февраль 2001 г.

– М., 2001. – С. 211–217.

16. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А., Чебаков Г.И., Урбан Н.А., Толочко В.В. Мониторинг изменений напряженного состояния очаговой зоны землетрясения 10 октября 2001 года в районе залива Провал // Проблемы региональной геофизики. – Новосибирск, 2001. – С. 119–120.

17. Еманов А.Ф., Селезнев В.С., Соловьев В.М., Кашун В.Н.,Татьков Г.И. Эксперименты по вибросейсмическому мониторингу земной коры // Проблемы региональной геофизики. – Новосибирск, 2001. – С. 55–57.

18. Еманов А.Ф., Селезнев В.С., Бах А.А., Гриценко С.А., Данилов А.И., Кузьменко А.П., Сабуров В.С., Татьков Г.И. Пересчет стоячих волн при детальных сейсмологических исследованиях // Геология и геофизика. – 2002.

– Т.43. № 2. – С. 192–207.

19. Алексеев А.С., Гольдин С.В., Дядьков П.Г., Еманов А.Ф., Леви К.Г., Макаров П.В., Назаров Л.А., Опарин В.Н., Орлов В.А., Ружич В.В., Саньков В.А., Селезнев В.С., Соловьев В.М., Суворов В.Д., Татьков Г.И., Тимофеев В.Ю., Шерман С.И. Стратегия прогноза землетрясений на геодинамических полигонах // Напряженно-деформированное состояние и сейсмичность литосферы : тр. всерос. совещ. 2003 г. – Новосибирск, 2003. – С.11– 15.

20. Дядьков П.Г., Гольдин С.В., Дучков А.Д., Кузнецова Ю.М., Татьков Г.И. Среднесрочный прогноз сейсмической опасности в центральной части Байкальской рифтовой зоны // Проблемы сейсмологии III тысячелетия :

мат-лы междунар. науч. конф., 2003г. – Новосибирск, 2003. – С. 134 –136.

21. Селезнев В.С., Тибо Г., Перчук Э., Еманов А.Ф., Суворов В.Д., Соловьев В.М., Лисейкин А.В., Анненков В.В., Мишенькина З.Р., Татьков Г.И. Использование новой технологии глубинных сейсмических исследований при изучении глубинного строения юго-западного фланга Байкальской рифтовой зоны // Проблемы сейсмологии III тысячелетия : мат-лы междунар.

науч. конф., 2003 г. – Новосибирск, 2003. – С. 324–328.

22. Татьков Г.И. Управление сейсмическим риском на основе локального мониторинга сейсмогенерирующих структур // Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф :

мат-лы VII всерос.науч. конф. с участием иностранных ученых. – Красноярск, 2003. – С. 111–117.

23. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А., Базаров А.Д., Чебаков Г.И. Реализация технологии активного и пассивного сейсмомониторинга на Байкальском геодинамическом полигоне // Математические методы в геофизике : тр. междунар. науч. конф., 2003 г. – Новосибирск, 2003. – С. 536–540.

24. Резанов И.Н., Татьков Г.И., Коломиец В.Л., Нефедьев М.А., Чебаков Г.И. Региональное поле напряжений и сейсмоактивная тектоника УстьСеленгинской впадины // Эволюция тектонических процессов в истории Земли : мат-лы XXXVII тектонического совещ., Новосибирск, 10–13 февраля 2004 г. Том 2. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2004. – С. 106109.

25. Татьков Г.И. Геофизический мониторинг очаговых зон землетрясений в обжитых районах Прибайкалья: возможности и перспективы // Тез.

докл. регионального совещ. по вопросам сейсмобезопасности Иркутской области. – Иркутск, 2004. – С. 26–27.

26. Татьков Г.И. Локальный мониторинг уровня сейсмической опасности Центрального Прибайкалья // Наука и Образование в Бурятии. – 2004.

– № 1. – С. 52.

27. Татьков Г.И., Баранников В.Г. Микродинамическая диагностика зданий и сооружений в сейсмоопасных районах : Тез. докл. регионального совещ. по вопросам сейсмобезопасности Иркутской области. – Иркутск, 2004. – С. 114–115.

28. Татьков Г.И., Баранников В.Г. Оценка сейсмической уязвимости зданий и сооружений методом стоячих волн // Город: прошлое, настоящее, будущее : сб. науч. тр. – Иркутск, 2004. – С. 7–12.

29. Татьков Г.И., Кузьменко А.П., Баранников В.Г., Сабуров В.С.

Инженерно-сейсмометрическое обследование памятника архитектуры – Свято-Одигитриевского собора (г. Улан-Удэ) // Сейсмостойкое строительство.

Безопасность сооружений. – 2004. – № 5. – С. 7–63.

30. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А. Развитие сейсмического процесса и мониторинг в близреальном времени зоны Южно-Байкальского землетрясения 1999 года // Вестник Бурятского Университета. – 2004. – Сер. 3. № 3. – С.

35–46.

31. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А., Базаров А.Д. Сейсмологический и вибросейсмический мониторинг уровня сейсмоопасности Центрального Прибайкалья // Геодинамические, сейсмологические и геофизические основы прогноза землетрясений и оценки сейсмического риска : тр. казахстано– российской междунар. конф. – Алматы, 2004. – С. 124–128.

32. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А., Базаров А.Д., Вибросейсмический мониторинг на Южно-Байкальском прогностическом полигоне // Взаимосвязь между тектоникой, сейсмичностью, магмообразованием и извержениями вулканов в вулканических дугах.: мат-лы IV междунар. совещ. по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг.( Петропавловск-Камчатский, 21–27 августа 2004 г.). – Петропавловск-Камчатский, 2004 – С. 227–228.

33. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А., Урбан Н.А. Сейсмичность Среднего Байкала по данным локальной сети геофизических наблюдений // Взаимосвязь между тектоникой, сейсмичностью, магмообразованием и извержениями вулканов в вулканических дугах.: мат-лы IV междунар. совещ. по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг.( Петропавловск-Камчатский, 21–27 августа 2004 г.). – Петропавловск-Камчатский, 2004. – С. 307–309.

34. Бержинский Ю.А., Бержинская Л.П., Иванькина Л.И., Ордынская А.П., Масленникова Г.Н., Павленов В.А., Черных Е.Н.,Татьков Г.И. Экспериментальные исследования сейсмостойкости безригельного каркаса в г. Иркутске : тр. V российско-монгольской конф. по астрономии и геофизике ( Истомино, Бурятия, 23-28 сентября 2004 г.). – Иркутск, 2005. – С. 136–139.

35. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А., Чебаков Г.И., Базаров А.Д. Возможности среднесрочного прогноза землетрясений на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне : тр. V российско-монгольской конф. по астрономии и геофизике ( Истомино, Бурятия, 23-28 сентября 2004 г.). – Иркутск, 2005. – С.

53–56.

36. Татьков Г.И., Базаров А.Д., Тубанов Ц.А. Вейвлет и Фурье анализ магнитного поля эпохи 2000-2002 годов в связи с изменениями сейсмичности Прибайкалья : тр. V российско-монгольской конф. по астрономии и геофизике ( Истомино, Бурятия, 23-28 сентября 2004 г.). – Иркутск, 2005. – С. 68–71.

37. Татьков Г.И., Баранников В.Г., Сабуров В.С., Тубанов Ц.А.

Оценка сейсмической уязвимости зданий повторными измерениями модальных форм собственных колебаний // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2005. – № 6. – С. 27–31.

38. Татьков Г.И. Тектоника и сейсмичность // Мир Байкала. – 2006. – № 9–10. – С. 56–57.

39. Татьков Г.И., Базаров А.Д., Баранников В.Г. Микродинамические исследования высотного здания из монолитного железобетона // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2006. – № 6. – С. 27–31.

40. Татьков Г.И., Базаров А.Д., Баранников В.Г. Результаты микродинамического обследования современных типов монолитных и каркасных зданий : тр. VI российско-монгольской конф. по астрономии и геофизике. – Иркутск, 2006. – С.44–52.

41. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А. Глубокая тайна Земли // Байкал-Гео. – 2006. – № 1. – С. 44–45.

42. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А., Базаров А.Д. Сезонные изменения фазовых и амплитудных характеристик стационарного сейсмического поля вибратора ЦВО-100 : тр. VI российско-монгольской конф. по астрономии и геофизике. – Иркутск, 2006. – С.122–131.

43. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А., Базаров А.Д. Экспериментальные исследования изменений скоростей продольных и поперечных сейсмических волн на Южно-Байкальском виброполигоне : тр. VI российско-монгольской конф. по астрономии и геофизике. – Иркутск, 2006. – С. 92–97.

44. Ананьин Л.В., Мордвинова В.В., Канао М., Татьков Г.И., Тубанов Ц.А., Гоць М.Ф. Возможности определения скоростного строения по долговременным наблюдениям широкополосной станции // Геология, поиски и разведка рудных месторождений / Тр. Иркут. государ. тех. университета. – 2007. – Вып. 5(31). – С. 121-123.

45. Татьков Г.И., Толочко В.В., Базаров А.Д Стенд для вибрационных испытаний на сейсмостойкость малотоннажных (до 30 тонн) изделий // Каталог научно-технических разработок и инновационных проектов Республики Бурятия. – Улан-Удэ, 2006. – С. 62–63.

46. Радзиминович Я.Б., Масальский О.К., Ружич В.В., Татьков Г.И., Кустова М.Г. Усть-Селенгинское землетрясение 10 октября 2001 года с MPSP=4,8, КР=12,8, I0=6 (Прибайкалье) // Землетрясения Северной Евразии в 2001 году. – Обнинск: ГС РАН, 2007. – С. 345–359.

47. Тубанов Ц.А., Татьков Г.И., В.Д.Суворов Сейсмичность Центрального Байкала по данным локальной системы наблюдений // Проблемы современной сейсмогеологии и геодинамики Центральной и Восточной Азии : мат–лы всерос. совещ. с междунар. участием. – Иркутск, 2007. – Т. 2. – С.

179–182.

48. Баранников В.Г., Татьков Г.И., Чебаков Г.И., Будаев Р.Ц., Новикова Л.С. Тункинское землетрясение 30 июня 1995 года на территории Республики Бурятия и его последствия // Вопросы инженерной сейсмологии. – 2008 – Т. 35. № 3. – С.14–25.

49. Татьков Г.И., Ковалевский В.В., Базаров А.Д., Тубанов Ц.А., Толочко В.В. Эксперименты по вибросейсмической интерферометрии на Байкальском геодинамическом полигоне // Отечественная геология. – 2008. – № 3. – С. 94–97.

50. Татьков Г.И. Тектоника и сейсмичность Байкальского рифта // Байкальская энциклопедия. – Новосибирск, 2008. – С. 312–324.

51. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А., Чебаков Г.И., Базаров А.Д., Толочко В.В. Сейсмичность Среднего Байкала по данным локальных сейсмологических наблюдений // Сейсмичность Северной Евразии : мат-лы междунар.

конф. (Обнинск, 28-31 июля 2008г.). – Обнинск, 2008. – С. 303–307.

52. Djadkov P., Tatkov G. Characteristics and Possible Sources of Tectonomagnetic Anomalies in the Baikal Rift Zone // IASPEI 1999 /The 29th General Assembly of the International Association of Seismology and Physics of the Earth’s Interior. – Thessaloniki, Greece, 1997.

53. Bach A.A., Danilov I.A., Emanov A.F., Kuzmenco A.P., Saburov V.A., Tatkov G.I., Baryshev V.G., Seleznev V.S. Diagnostics of current condition of buildings and structures Buildings // Nicosia North Cyprus : Abstracts of international conference on earthquake hazard and in the mediterranean region.- October 18-22, 1999.– Nicosia,1999.

54. Urgen G., Shmullius С., Papathnassiou К., Darizhapov D., Tatkov G., Tsybjitov Т., Boerner W. Tree Height Extraction Using Polarimetric SAR Interferometry JGARS'99. – Hamburg, Germany, 28june-2jule 1999. – P. 38–42.

55. Suvorov V., Thybo H., Jensen M., Emanov A., Seleznev V., Perchuc E., Soloviov V., Tatkov G. The Baikal Seismic Experiment (BASE) // Cite abstracts as Eos Trans. AGU, 82(47), Fall Meet. Suppl., Abstract xxxxx-xx, 2001.

56. Thybo H., Jensen M., Ross A., Suvorov V., Emanov A., Seleznev V., Tatkov G., Perchuc E. Baikal Seismic Experiment (base). Probing Lower Crustal Reflectivity Around The Baikal Rift EGS XXVII General Assembly, Nice, 21–April 2002, abstract #4076 Publication Date: 00/2002.

57. Nielsen C. A., Thybo H., Jensen M., Ross A, Suvorov V., Emanov A., Seleznev V., Tatkov G., Perchuc E., Gazcynski E. Rifting processes in the centre of Siberia revealed by BEST (Baikal Explosion Seismic Transects) // Cite abstracts as Eos Trans. AGU, 84(46), Fall Meet. Suppl., Abstract xxxxx-xx, 2003.

58. Thybo H., Nielsen C., Jensen M., Ross A., Suvorov V.D., Emanov A., Seleznev V., Perchuc E., Tatkov G., Gazcynski E. BEST: Baikal explosion seismic transect // 5 геофизические чтения им. В. В. Федынского, Москва, 27 февраля1 марта, 2003. – М.: Изд-во Центра ГЕОН, 2003. – С. 147.

59. Thybo H., Nielsen C.A., Perchuc E., Jensen M., Ross A., Gazcynski E., Suvorov V.D., Emanov A., Seleznev V., Tatkov G. Baikal explosion seismic transects (BEST) // Geophysical Research Abstracts. – Vol. 6, 05574, 2004 SRefID: 1607-7962/gra/EGU04-A-05574.

60. Tatkov G. Tubanov T.A., Urban N.A Seismicity of average Baikal Accordding to the local network of geophysical monitoring // IV International Biennial Workshop on Subduction Processes emphasizing the Japan–Kurile– Kamchatka–Aleutian Arcs.– Petropavlovsk-Kamchatsky, 2004. – P. 229–230.

61. Tatkov G., Tubanov T.A., Bazarov A.D. Vibroseismic monitoring on South Baikal Research Poligon// IY International Biennial Workshop on Subduction Processes emphasizing the Japan-Kurile- Kamchatka-Aleutian Arсs.– Petropavlovsk-Kamchatsky, 2004.– P. 309-310.

62. Goldin S.V., Alekseev A.S., Seleznev V.S., Djad’kov P.G., Timofeev V.Yu., Soloviev V.M., Emanov A.F., and Tatkov G.I. Seismic Monitoring and Earthqake Predicrion // The Proceedings of IWAM04. – Mitzunami, 2004. – P. 96.

63. Kanawa Т., Suvorow V., Tatkov G., Toubanow T. Deep structure and tectonics of the Baikal Rift Zone, Russia: expected targets from temporary broadband observations(poster session) (abs.) // Активный геофизический мониторинг литосферы Земли : междунар. симп. – Новосибирск, 2005.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.