Междисциплинарный подход к изучению сложных систем опасных природных процессов
| Вид материала | Автореферат диссертации |
СодержаниеСильнейшие цунамигенные землетрясения планеты с 1900 г. Местоположение эпицентра Публикации по теме диссертации |
- 1. Мероприятия по стабилизации оползневых и обвальных процессов на территории Севастопольского, 301.81kb.
- Земельный фонд юга европейской части России под воздействием опасных природных процессов, 864.85kb.
- Программа II всероссийской молодёжной научной конференции, 133.96kb.
- Экзаменационные вопросы вступительных испытаний в магистратуру по направлению «Автоматизация, 54.04kb.
- Элективный курс «Физика природных процессов» (методическое пособие для учителя) Омск, 336.07kb.
- Разработка методики комплексной автоматизации информационного сопровождения процессов, 370.81kb.
- 1. организация процесса исследования систем управления, 247.88kb.
- Социo-предметный подход в управлении персоналом, 68.22kb.
- Лекция Современные классификации опасных природных процессов, 76.46kb.
- Лекция 1 Виды математических моделей сложных систем, 201.52kb.
Общепринятой моделью возникновения цунами является клавишная модель (Лобковский Л.И., 2005). Ее суть состоит в следующем. Невулканическая дуга зоны поддвига литосферных плит разбита разломами на мелкие микроблоки протяженностью 100–200 км – «клавиши». При поддвиге клавиши верхней плиты поджимаются за счет трения и неоднородностей поверхности пододвигаемой плиты. Магнитуда землетрясения будет определяться шириной клавиши, величиной и скоростью вертикального выброса «клавиши» и длиной зоны разломообразования, ориентированной поперек клавиши.
Магнитуду землетрясения мо
жно определить через сейсмический момент: (16)где М0 — сейсмический момент в Дж ×
м. В свою очередь сейсмический момент равен: (17)здесь μ — ссылка скрыта горных пород, порядка 30 ГПа; A – площадь зоны разломообразования; u – среднее смещение вдоль разломов.
Очень важную роль играет длина зоны разломообразования. Так для крупнейших прибрежных цунамигенных землетрясений нами получено эмпирическое соотношение:
М = 6,34 + 0,82 lg L (18)
Оно неплохо аппроксимирует реальные ситуации (табл. 1, правый столбец). В случае локального цунами длина зон разрушения составляет лишь 100-200 км (ширина «клавиши») и магнитуда землетрясения не превышает 7 – 7,5 баллов по Рихтеру. При мегацунами она может превышать 1000 км (ширина мезоблока). Следовательно, в основе возникновения мегацунами лежит механизм образования гиперпротяженных зон разрушения.
Табл. 1. Сильнейшие цунамигенные землетрясения с 1900 г. В правом столбце магнитуды землетрясений рассчитанные по формуле (16).
| ^ Сильнейшие цунамигенные землетрясения планеты с 1900 г. | ||||||||||||||
| ||||||||||||||
| Материал подготовлен с использованием данных ссылка скрыта |
Возможны две принципиально различных ситуации: а) ортогональный поддвиг; б) косой поддвиг. В первом случае возможен отклик объединенного мезоблока клавиш (3-4 клавиши) на поддвиг приподнятого рельефа плиты, как это было при землетрясениях 15 и 17 ноября 2006 г. на Курильских островах [Иванов О.П., Свешников А.А., Дубинин Е.П., 2007]. Ширина взломанного блока и ширина пододвигаемой возвышенности совпадают (≈500 км) (рис.8).
Рис. 8. Слева контур отломившегося мезоблока верхней плиты, построенный по эпицентрам афтершоков, справа – батиметрический профиль пододвигаемой плиты, стрелка – направление поддвига.
Первичное сейсмогенерирующее взламывание происходит ортогонально побережью (от №3 к №10 на левом рис.8). Ширина сейсмогенной стороны около 150 км. Однако такой механизм не может создать более протяженные зоны, ибо резко нарастает толщина плиты и площадь взлома.
В
се сильнейшие цунамигенные землетрясения возникали в ситуациях косого поддвига одной плиты под другую. Здесь вектор движения можно разложить на две составляющие: ортогонально и параллельно поддвигу. При возрастании угла косого поддвига, возрастает составляющая по прижиманию «клавиш» друг к другу, что увеличивает между ними величину трения. Со временем происходит как бы «приваривание» соседних микроблоков-клавиш. Создается новый крупный мезоблок, откликающийся на поддвиг, как единое целое. Подобную ситуацию хорошо описывает предложенная автором на рисунке 9 поликлавишная модель [Иванов, 2006, Иванов О.П., 2007, 2007]. Рис.9. Схема образования и динамики взбрасываемого тектонического мезоблока [Иванов О.П., 2006].
Для тектонического разрушения мезоблока разломом требуются значительные напряжения. Возможен вариант каскада срывов вдоль объединенных микроблоков. Возникает зона разрушения протяженностью 1000 км и более, которая направлена параллельно побережью и ограничена глубиной 25-30 км). Именно по этой причине вспарывание поверхности края Андаманской микроплиты 26 декабря 2004 года длилось около 8 минут и имело две фазы (обычная продолжительность подобных процессов в случае отдельных «клавиш» не превышает минуты). При этом возник трапецевидный блок между старым андаманским разломом и вновь возникшим разломом. Часть мезоблока у гипоцентра испытала взбросо-сдвиг. Вертикальные подвижки достигли 5 м., а горизонтальные – 11 м. Область активных подвижек охватила зону 600300 км, а более слабые нарушения распространились на расстояние более 1 300 км.
Это подтверждается геолого-геофизическими данными и характером фокальных механизмов. Анализ зоны сильнейшего Чилийского цунамигенного землетрясения 1960 г., а также зон Андаманской и Алеутской дуг показывает, что наличие косого поддвига является обязательным условием формирование крупных мезоблоков для возникновения мегацунами.
На основании новой модели предложены рекомендации по повышению эффективности мониторинга и прогноза цунамигенных землетрясений.
1. С точки зрения цунамигенности главное внимание следует уделять геодинамическим обстановкам зон косого поддвига.
2. На основании рассмотренных данных (таблица 1) мониторинг должен проводиться в прибрежных районах зон поддвига, охватывающих полосу, в пределах которой располагаются эпицентры крупных цунамигенных землетрясений с глубиной очага землетрясения в пределах 25-35 км.
3. В пределах такой полосы необходимо заранее по сейсмологическим и геодезическим данным определить формирующийся мезоблок (по признаку монолитности отклика). На ближнем к косому взаимодействию конце и в окружении мезоблока распределяются с необходимой частотой геодезические реперы для мониторинга по слежению за характером относительных перемещений внутри блока и обрамления блока. Параллельно ведется мониторинг состава вод, газовых эманаций, форшокового процесса и проводится анализ универсального предвестника геомеханических катастроф. Последний критерий используется в два этапа; 1) сначала в зоне ближнего контакта регистрируется уменьшение частоты наблюдаемых волновых возмущений, 2) затем анализируется уменьшение декремента затухания апериодических возмущений (Дубровский В.А., Сергеев В.Н., 2004). Момент сейсмического затишья характеризуется максимальными скоростями движения плиты под блоком и это должно сопровождаться резким увеличением высыпания электронов в ионосферу накануне цунамигенного землетрясения.
С точки зрения управления процессом можно предложить использование
МГД-генераторов, которые смогли бы создать сейсмическую разрядку и разрушение монолитности мезоблока, за счет освобождения «клавиш» от сильного связующего трения.
4. Зоны с ортогональным поддвигом представляют опасность только в плане интенсивности землетрясений и поэтому для них должно быть обязательным картирование батиметрии пододвигаемой поверхности и анализ эффектов воздействия продолжений краевых зон пододвигаемых поднятий на структуре нависающей плиты.
Качественные модели наводнений. В случае цунамигенных наводнений
главным в предлагаемом подходе является эффект сжатия длины цунамической волны за счет трения в условиях склона и шельфа. Сжатие по длине происходит от нескольких сотен до нескольких десятков километров (рис.6). Рис.6. Схема наводнения от цунами.
При этом возникает подъем уровня вод в прибрежной части достигающий 3-4 м. Приподнятый пласт воды длиною в первые десятки километров надвигается на берег с большой скоростью (более 40 км/ч). Это создает разрушительный потоковый эффект на значительных расстояниях вглубь берега.
Такой подход принципиально отличается от подходов, основанных на общепринятых шкалах цунами Ииды и Имамуры или Амбрасейса, где главной является высота передовой волны, которая разрушается в окрестности пляжа.
В случае нагонных наводнений тоже присутствует аналогичный эффект. В его основе лежит барическое и кинематическое кумулятивное действие циклона. Понижение атмосферного давления в центре циклона только на 1 мм ртутного столба, вызывает повышение уровня океана в этом месте на 13 мм (всасывающий эффект). При падении давления на десятки миллиметров на поверхности воды за счет барического эффекта может появляться возвышенность размерами более метра в высоту и диаметром более 150 – 200 км (длинная волна). Максимум подъема сосредоточен под «глазом» бури (10 - 60 км).
Максимальные изменения возникают, когда центр с ураганными ветрами приближается к берегу. В условиях мелководья соединяются два кумулятивных эффекта: 1) длинная волна первой испытывает сжатие и кумулятивный подъем до уровня 2-3 м за счет трения на мелководье; 2) нагон сжимает ветровые волны и тоже приподнимает уровень воды. На суше высота ветровых волн значительно падает, и размер затопления определяется объемом надвигаемого ветром и затаскиваемого циклоном общего приподнятого пласта воды. Ливни, сопровождающие циклон являются третьей составляющей наводнения. Это утверждение подтверждают следующие данные.
1). Зарегистрированы случаи прихода к берегу и подъема на мелководье передовой волны за счет сжатия за полчаса до прихода сильных ветровых волн.
2). Сильный уровень нагона держится до 10 - 15 мин., а более слабый до получаса. Это результат надвигания суммарного протяженного пласта воды сформированного на мелководье и пополняемого на суше ливневыми потоками.
Важная роль кумулятивного сжатия длинной волны и ветровых волн на мелководье подчеркивается впервые.
В случае речных наводнений также полезен кумулятивно-диссипативный подход [Иванов О.П., Винник М.А., 2009]. Можно выделить два основных типа наводнений: русловые (половодья, паводки, зажорные, заторные, завальные, завально-прорывные) и устьевые (нагонные, цунамигенные).
Динамика реки и русловых наводнений напрямую зависит от трех основных «параметров порядка»: площади водосборного бассейна, возможностей его наполнения (источников питания) и перепада высот между ним и дельтой. Водосборный бассейн выступает как фокусировщик гравитационной энергии воды. Русло – в качестве кумулятивного стока, а дельта – и как постоянный диссипатор гравитационной энергии реки и как временный кумулятор от цунамигенных и нагонных наводнений. На основании тесной аналогии водосборного бассейна с водостоком предложена универсальная модель всех типов наводнений, основанная на расширенной модели водостока (рис.7, левый).
Рис. 7. Слева - расширенная модель водостока соединяющая водосбор и дельту с помощью реки. В центре - сценарий затопления территорий (заштрихованная область) в ситуации половодья, паводка, затора, зажора, завала. Справа - сценарии нагонного и цунамигенного наводнений. Направление нагона и движения цунами в зону дельты реки показано стрелкой [Иванов О.П., Винник М.А., 2009].
В случае руслового наводнения в качестве временного промежуточного диссипатора может выступить любой участок русла, где возникают трудности руслового стока (низкие борта русла, перегораживание русла). Репером являются затапливаемые структурные особенности реки такие, как поймы и террасы. Данная модель позволяет обоснованно ранжировать превентивные меры защиты на три основных группы: в зоне водосбора, русловые и устьевые.
Рекомендации по мониторингу цунами. Вблизи эпицентра цунами, сразу же после землетрясения со спутника определяются основные параметры: длина, высота и скорость волн цунами. Вычисляются масса, объем и кинетическая энергия движущейся волны. На основании батиметрии склона и шельфа и параметризации волн оценивается величина сжатия волн и подъема уровня вод у побережья. Расчет кинетической энергии совместно с гипсометрией побережья позволяют оценить возможный уровень «забега» волн на берег и ранжировать уровень опасности. Статистика по сопоставлению исторических данных позволяет ранжировать любой берег по параметру забегания потоков вод. Неожиданный экстремальный случай легко пересчитывается на основе поступивших оперативных данных мониторинга. Это позволит нормировать строительство и правила безопасности в прибрежных зонах.
Рекомендации по мониторингу нагонных наводнений. Для улучшения качества прогноза нагонных наводнений предлагается осуществлять мониторинг параметров длинной волны, скорости движения ТЦ, угла его подхода к берегу, батиметрии шельфовой зоны и гипсометрии прибрежной зоны.
Заключение.
Основой защищаемой диссертации является разработка нового междисциплинарного системного подхода к изучению эволюции сложных систем, включая ОПП. Сложные системы (на примере ОПП) рассматриваются как кумулятивно-диссипативные диалектически взаимосвязанные явления, возникающие и развивающиеся в условиях взаимодействия с другими системами и окружающей средой. Эволюция систем - это последовательность структурно-фазовых переходов, которую можно представить в виде диаграмм или сценариев. Предложен и обоснован универсальный алгоритм, позволяющий в зонах бифуркации исследовать иерархию переходов через параметры адаптивности и устойчивости за счет сравнения с решениями обобщенного уравнения золотой пропорции. Исследованы самоподобие и фрактальность структурно-фазовых переходов и самоуправляемость синтеза новых структур за счет обратной связи и автомодельности.
Следующую часть подхода составляет анализ специфики взаимодействий сложных систем как способа энергообеспечения систем ОПП. Рассмотрена типология взаимодействий. Доказано, что для анализа степени взаимодействий применимы методы фрактального анализа, фликкер-шума и методы моделирования автоволновых процессов. Для анализа ситуаций каскадного развития взаимодействий использован универсальный алгоритм. Алгоритм опробован и показал возможность перехода к количественной оценке устойчивости грунтов на основе изосейст интенсивности землетрясений.
Третью часть подхода составляют исследования принципов возникновения и развития экстремальных кумулятивных и кумулятивно-диссипативных динамических состояний ОПП. Показано, что основу его составляют макроквантование высокоэнергетических процессов ОПП, подчинение законам кумуляции силовых и потенциальных полей, всеобщность вращения, идентичность кумулятивных форм и структур, трансмутация вещества и образование новых степеней свобод.
На основе анализа сценариев эволюции различных сложных систем (усталостное разрушение сплавов, кристаллизация, зоны поддвига литосферных плит, ТЦ, торнадо, Биосферы) в диссертации впервые разработаны концептуальные основы междисциплинарной методологии комплексного анализа ОПП. Методология базируется на совокупности принципов эволюции, взаимодействия, кумуляции и кумулятивной диссипации сложных систем ОПП. Принципы эволюции опираются на открытость систем и всеобщность их взаимодействия, диалектическое единство процессов накопления энергии и диссипации, а также дискретность эволюционного процесса за счет иерархичности фазовых переходов.
Предложенные разработки являются принципиально новым теоретическим достижением и составляют суть нового научного направления в теории ОПП. Показано, что метод структурно-фазового анализа дает возможность управлять эволюцией ОПП в целях превентивной защиты. Практическая значимость нового подхода определяется разработками классификации ОПП и ряда новых качественных моделей ОПП, а также соответствующими к ним рекомендациями в области мониторинга, прогноза и превентивных мероприятий.
Перспективы дальнейшего развития подхода обширны. Это исследования спектра процессов внутри отдельных структурно-фазовых переходов различных ОПП с целью разработки методик управления различными опасными процессами, детальное сопоставление различных сценариев эволюции, существенные корректировки систем мониторинга, прогноза и превентивной защиты. Наконец, - это пролог к общей теории эволюции сложных систем.
^ Публикации по теме диссертации
Монографии
- Ушаков С.А., Галушкин Ю.И., Гапоненко Г.И., Дубинин Е.П., Иванов О.П., Каверзнев К.М., Шимараев В.Н. Гравитационное поле и рельеф дна Мирового океана. -Л.: Недра, 1979. -295 с.
- Иванов О.П., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы сложных систем. -ТГУ. 2008. -280с.
Учебно-методические разработки и материалы
- Мазур И.И., Иванов О.П. Опасные Природные Процессы. Учебник. -М.: Экономика. 2004. -702 с.
- Иванов О.П. и др. Геоэкология: наука о Земле. Уч. пособие. -М.: ФГОУ ВПО МГАВМиБ, 2003. -377 с.
- Иванов О.П., Шах Махмуд Нек. Историческая геология с основами палеонтологии. Лабораторный практикум. Ч.I. Литолого-фациальный анализ. -Кабул, КПИ, 1984. -121 с.
- Иванов О.П., Рейхов Ю.Н., Тугушов К.В., Шаповалова Г.Н. Методические рекомендации по изучению дисциплины «Опасные природные процессы». Учебно-методическое пособие. -Новогорск, АГЗ МЧС. 2005. Инв№ 2061к/197, 120с.
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
1. Иванов О.П., Облогина Т.И., Пийп В.Б., Юдасин Л.А. Преобразование временных разрезов в глубинные в средах с линейным законом изменения скорости //Вестник МГУ, серия геологич. 1972., вып. №4 - с.101-103.
2. Иванов О.П., Облогина Т.И., Юдасин Л.А. Особенности временных разрезов в двумерно-неоднородных средах//Изв. АН СССР.Физика Земли.-1976, №2-С.32-43.
3. Иванов О.П., Ушаков С.А., Хаин В.Е., Шабалин Н.В. Концепция семинара по теоретической геодинамике на геологическом факультете МГУ //Вестник МГУ, серия геологическая. -1976. Вып.4. -С.10-12.
4. Иванов О.П., Хрянина Л.П. Структура метеоритных кратеров и астроблемы // ДАН СССР. -1977. т. 233, №2 - С. 12-18.
5. Ушаков С.А., Галушкин Ю.И., Иванов О.П. Природа складчатости на дне Черного моря в зоне перехода к Крыму и Кавказу //ДАН СССР. 1977. т.233, №5 - С.932-935.
6. Иванов О.П., Винник М.А. Кумулятивно-диссипативное расширение синергетики //Вестник РУДН. Сер. философия. -2008, №2 - С.78-85.
7. Иванов О.П. Специфика циклонических обстановок для авиаполетов //Науч. Вестник МГТУ ГА. Сер. Эксплуатац. воздушн. транспорта. -2008, №134 - С.63-67.
8. Иванов О.П., Винник М.А. Геодинамический анализ наводнений на реках //Изв. РАН, сер.географич. -2009. №3 - С.1-10.
9. Иванов О.П., Иванова В.С. Анализ эволюции сложных систем методом структурно-фазовых переходов //Естеств. и техн. науки. Сер. науки о Земле. Геоинформатика. -2009. №2 (40) - С.229-232.