Введение к работе
Актуальность темы. Активное освоение нефтегазоносных месторождений Дальнего Востока и Северо-Востока Российской Федерации требует решения проблемы оценки лавинной и селевой опасности для магистральных трубопроводов (нефтегазопроводов). В целях эффективного использования средств, выделяемых на проект-но-изыскательские работы, такую оценку целесообразно проводить на ранних стадиях проектирования. Проблема приобретает особую остроту при прокладке нефтегазопроводов через малоосвоенные территории, лавинный и селевой режим которых не изучен или изучен слабо. Кроме того, значительная часть территорий Дальнего Востока и Северо-Востока Российской Федерации относится к районам среднегорья и низкогорья, в которых лавинные и селевые процессы имеют некоторые отличия от лавинных и селевых процессов в районах высокогорья.
Поскольку воздействие лавинных и селевых процессов на магистральные трубопроводы (нефтегазопроводы) носит ряд специфических особенностей, стоимость проектно-изыскательских работ и защитных мероприятий может быть снижена за счет применения рациональных методик оценки степени лавинной и селевой опасности на ранних стадиях проектирования. Особенно важно решение этой задачи для тех территорий, где лавинные и селевые процессы не изучены либо изучены слабо, где использование традиционных методов оценки лавинной и селевой опасности требует проведения трудоемких и дорогостоящих полевых изысканий либо не позволяет получить адекватную оценку степени опасности. Один из путей решения этой проблемы - разработка рациональных методик построения мелко- и сред-немасштабных карт лавинной и селевой опасности, позволяющих аналитическим путем получить количественные характеристики лавинных и селевых процессов и спрогнозировать характер их воздействия на проектируемое сооружение.
Не решен ряд проблем динамики лавин и селей некоторых типов, что не позволяет адекватно оценивать степень лавинной и селевой опасности для объектов и сооружений. Не имеет решения проблема оценки условий формирования и прогноза сейсмогенных лавин (вторичных эффектов землетрясений) - т. е. проблема оценки воздействия лавинных процессов на сооружения в высокосейсмичных районах Сибири и Дальнего Востока.
Цели и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка критериев оценки лавинной и селевой опасности для нефтегазопроводов на ранних стадиях проектирования (обоснование предпроектной документации; подготовка обоснования инвестиций в строительство), разработка методологических принципов построения мелко- и среднемасштабных карт лавинной и селевой опасности в малоизученных районах среднегорья и низкогорья и разработка способов оценки условий формирования и прогноза сейсмогенных лавин.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи.
-
Проведен обзор современного состояния следующих проблем: критерии оценки степени лавинной и селевой опасности при проектировании магистральных трубопроводов; методологические подходы к разработке среднемасштабных карт лавинной и селевой опасности; оценка условий лавинообразования в высокосейсмичных районах; формирование водоснежных потоков на о. Сахалин; самоорганизации диссипативных структур при лавинных и селевых процессах.
-
Разработана и обоснована модель механизма возникновения волн и самоорганизации диссипативных структур при лавинном и селевом процессе, формирова-
ния солитонов при движении лавин и селевых потоков. Выявлены некоторые общие закономерности развития лавинных и селевых процессов, позволяющие проводить комплексную оценку лавинной и селевой опасности территории.
-
Разработана и обоснована модель лавинного и селевого комплекса как триг-герной геосистемы, согласно которой ведущую роль в лавинном и селевом процессе играют литологические факторы.
-
Выявлен характер воздействия лавинных и селевых процессов на магистральные трубопроводы наземной, надземной и подземной прокладки и разработаны критерии оценки лавинной и селевой опасности в зависимости от их типа.
-
Разработаны: методологические подходы к построению мелко- и среднемас-штабных карт лавинной и селевой опасности при линейных изысканиях в малоизученных районах среднегорья и низкогорья; иерархическая шкала таксономических категорий лавинных и селевых комплексов; алгоритм количественной оценки характеристик лавинных и селевых процессов в среднегорье и низкогорье.
-
Выявлены условия формирования и распространения водоснежных потоков на о. Сахалин.
-
Разработана и обоснована модель механизма формирования сейсмогенных лавин и выявлен характер зависимостей между лавинными и сейсмическими процессами; разработаны рекомендации по оценке лавинной опасности в высокосейсмичных районах и прогнозу периодов формирования сейсмогенных лавин.
Исходные материалы и методы исследования. В основу диссертации положены материалы полевых и камеральных работ, выполненных автором либо под его руководством и при непременном участии на о. Сахалин, Курильских островах (1978-1999 гг.) и в Хибинах (1985-1988 гг.). При проведении полевых и камеральных работ применялись методы исследования, принятые в инженерной геологии, селеведении, гляциологии, геологии, геоморфологии и метеорологии, и методы, разработанные автором либо под его руководством и при непременном участии.
Объект исследования - геодинамические геологические процессы: лавинные и селевые. Предмет исследования - динамика и закономерности распространения лавинных и селевых процессов.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
разработаны иерархическая шкала таксономических категорий лавинных и селевых комплексов и алгоритм расчета характеристик лавинных и селевых процессов на основе данных о геологическом и геоморфологическом строении, ландшафтной структуре и на основе климатической характеристики территории;
разработана рациональная методика построения мелко- и среднемасштабных карт лавинной и селевой опасности в высокосейсмичных районах среднегорья и низкогорья как карт лавинных и селевых комплексов;
даны практические рекомендации по оценке лавинной опасности и прогнозу периодов формирования сейсмогенных лавин в высокосейсмичных районах, выявлен и обоснован характер зависимостей между лавинным и сейсмическим процессами;
установлено, что лавинообразование более зависит от стадии метаморфизма снежной толщи, чем от интенсивности сейсмических воздействий;
выявлены и обоснованы общие закономерности развития лавинных и селе
вых процессов, позволяющие рассматривать лавинные и селевые комплексы как
диссипативные системы, в которых происходит самоорганизация пространствен
но-неоднородных и периодических пространственно-временных структур;
обоснован механизм образования волн при движении снежных лавин и селей;
разработана и обоснована модель лавинного и селевого комплекса как триг-герной геосистемы, согласно которой ведущую роль в лавинном и селевом процессе играют литологические факторы.
В региональном плане научная новизна работы заключается в том, что впервые для о. Сахалин:
исследованы условия формирования и закономерности распространения во-доснежных потоков и установлены районы их распространения на острове;
определена зависимость между формированием сейсмогенных лавин и стадией метаморфизма снежной толщи на о. Сахалин;
В методологическом плане научная новизна работы заключается в разработке иерархической системы таксонов лавинных и селевых комплексов и алгоритма расчета характеристик лавинных и селевых процессов. Предлагается методика построения мелко- и среднемасштабных карт лавинных и селевых комплексов для оценки степени лавинной и селевой опасности при проектировании магистральных трубопроводов и линейных сооружений других типов.
Предметом защиты являются:
рациональная методика оценки лавинной и селевой опасности на ранних стадиях инженерных изысканий (разработка предпроектной документации; подготовка обоснования инвестиций в строительство);
представления о зависимости формирования сейсмогенных лавин от стадии метаморфизма снежной толщи в лавиносборе и практические рекомендации по оценке лавинной опасности в высокосейсмичных районах и прогнозу периодов формирования сейсмогенных лавин;
представления о механизме волнового движения лавин и селей.
Защищаются следующие положения
I. Рациональная методика построения мелко- и среднемасштабных карт лавин
ной и селевой опасности при линейных изысканиях как карт лавинных и селевых
комплексов.
II. Зависимость формирования сейсмогенных лавин от стадии метаморфизма
снежной толщи; практические рекомендации по оценке лавинной опасности в высо
косейсмичных районах и прогнозу периодов формирования сейсмогенных лавин.
III. Волновой характер движения - имманентная характеристика снежных ла
вин и селей, обусловленная развитием упорядоченно-стохастических процессов в
диссипативной системе: снежной лавине (селевом потоке) и приводящих к форми
рованию уединенных и периодических волн.
В связи с разработкой методики защищается ряд вводимых нами положений.
-
Компоненты природного лавинного (ПЛК) и селевого комплекса (ПСК): статическая (геоморфологическая): лавиносбор; селевой бассейн; динамическая (литоло-гическая): снежная толща в лавиносборе, трансформирующаяся в лавину, затем - в лавинные отложения; массив рыхлообломочных пород в селевом очаге, трансформирующийся в сель, затем - в селевые отложения.
-
Цитологическая компонента ПЛК: система, включающая снежную толщу в лавиносборе, лавину и лавинные отложения; снежная толща переходит в движение и трансформируется в лавину, а затем - в лавинные отложения; в системе последовательно происходит самоорганизация упорядоченных пространственно-неоднородных и пространственно-временных периодических структур. Цитологическая компонента
ПСК: система, включающая потенциальный селевой массив (массив рыхлообломочных пород в селевом очаге, ПСМ), селевой поток, селевые отложения; ПСМ приходит в движение и трансформируется в сель, затем - в селевые отложения.
3. Процессрззвтнялитологическойкомпонентылавинного (селевого) комплекса
проходит следующие стадии (фазы процесса):
фаза формирования литологической компоненты - формирование снежной толщи в лавиносборе вследствие метеорологических процессов; формирование ПСМ в селевом очаге вследствие денудационных процессов;
фаза неравновесного состояния - снежная толща на склоне проходит цикл метаморфических преобразований в результате морфогенеза слагающих ее ледяных кристаллов и вследствие взаимодействия гравитационных и метаморфических процессов переходит в неустойчивое (тригтерное) состояние; ПСМ в селевом очаге вследствие процессов, обусловленных взаимодействием сил гравитации и сил трения, переходит в неравновесное состояние (тригтерное);
динамическая фаза - под воздействием внешних факторов (геологических, гидрометеорологических, антропогенных и т. д.): снежная толща переходит в движение и трансформируется в лавину; ПСМ переходит в движение и формирует сель;
фаза вырождения системы - аккумуляция лавинных и селевых отложений.
4. Лавинный и селевой комплексы - диссипативные системы, в которых после
довательно происходит самоорганизация упорядоченных пространственно-неодно
родных и периодических пространственно-временных структур. Снежная лавина и
селевой поток - фазы детерминированного упорядоченно-стохастического процесса
самоорганизации упорядоченных структур.
Практическое значение и реализация результатов. Материалы проведенных исследований позволяют разрабатывать содержание мелко- и среднемасштабных карт лавинных и селевых комплексов для малоизученных территорий и использовать их для оценки лавинной и селевой опасности при проектировании линейных сооружений в высокосейсмичных районах на стадиях "обоснование предпроектной документации" и "подготовка обоснования инвестиций в строительство" и оценивать степень опасности от сейсмогенных лавин в высокосейсмичных районах.
Апробация работы. Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались автором на научных симпозиумах, конференциях, семинарах и совещаниях: семинар Госкомгидромета СССР по селевым потокам (г. Алма-Ата, 1980); III Всесоюзное совещание по снежным лавинам (г. Кировск, 1986); IV Всесоюзное совещание по снежным лавинам (г. Нальчик, 1990); научный семинар стран СНГ "Нерешенные проблемы гляциологии" (г. Пущино, 1995); XI Гляциологический симпозиум (г. Дубна, 1998); научно-практическая конференция "Курильские острова: история, современность, перспективы" (Южно-Сахалинск, 1997); XXXIV научно-практическая конференция преподавателей СахГУ (Южно-Сахалинск, 1999); заседание научно-экспертного совета при администрации Сахалинской области СахГУ (Южно-Сахалинск, 1999); научно-технический семинар-совещание "Память и уроки нефтегорского землетрясения" (Южно-Сахалинск, 24-25 мая 2000 г.).
Изложенные в диссертации принципы бычи использованы: при оценке лавинной и селевой опасности нефтегазопроводов по проектам "Сахалин-1", "Сахалин-2"; при разработке карт лавинных и селевых комплексов о. Сахалин по заказу администрации Сахалинской области; при разработке карт интенсивности проявления лавинных процессов о-вов Итуруп, Кунашир, Парамушир в масштабе 1:200 000 (Федеральная целевая программа социально-экономического развития Курильских островов Сахалинс-
кой области); в учебном процессе - при подготовке студентов по специальности "география" (Сахалинский государственный университет). Карты лавинных и селевых комплексов о. Сахалин в масштабе 1:500 000 используются при проектно-изыс-кательских и научно-исследовательских работах (СахалинТИСИЗ; Сахалинская геологоразведочная экспедиция; МГУ; СахГУ).
По теме диссертации опубликовано 18 научных статей (из них 11 - в соавторстве), шесть статей (из них две - в соавторстве) находятся в печати. В статьях изложены основные положения и выводы, соответствующие материалам, помещенным в основных разделах представляемой к защите работы. Все опубликованные работы написаны по материалам автора. В публикациях, подготовленных в соавторстве, автором лично разработаны положения, защищаемые в диссертации.
Ряд положений диссертации отражен в 14 научных и 13 научно-технических отчетах (в которых автор диссертации являлся ответственным исполнителем и научным руководителем), в докладах и экспертных документах, представленных в административные органы разных уровней и ведомства Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Библиография: 205 наименований. Общий объем работы - 216 страниц машинописного текста, 15 рисунков и 14 таблиц.
Работа выполнена под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора Г.И. Коффа и кандидата физико-математических наук, профессора И.Г. Минервина, которым автор выражает свою искреннюю благодарность. Автор также благодарит своих коллег Ю.В. Генсиоровского, М.С. Древило, СП. Жируева, Т.С. Казакову, В.И. Окопного, а также доктора геолого-минералогических наук, профессора Т.К. Злобина за помощь, оказанную при сборе и обработке полевых материалов, ценные советы и всемерную поддержку на всех этапах написания работы.
