ОБЕСПЕЧЕНИЕ СЕЙСМОБЕЗОПАСНОСТИ СООРУЖЕНИЙ АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА

Основной проблемой при освоении месторождений на шельфе Арктики являются суровые природно-климатические условия: низкие температуры, ледовые воздействия, высокая сейсмичность и пр. Реализация госпрограмм по развитию Арктической зоны РФ требует, в частности, контроля сейсмической ситуации для обеспечения безопасности сооружений. Данный контроль включает сейсмический мониторинг и оценку сейсмичности литосферы по следующим параметрам – пространственное расположение очагов землетрясений, миграция во времени и выделившаяся энергия, сейсмоактивности различных территорий. Изученность геодинамических процесс в Арктическом регионе крайне мала, в большей степени это связано с невозможностью определения глубин очагов с нужной точностью [1, с. 12]

Рассмотрена задача совершенствования карт общего сейсмического районирования (ОСР), отображающих сейсмичные районы для строительства. Оценка сейсмической опасности является основой системы прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера

До середины ХХ в. основным источником сведений для пополнения базы знаний о сейсмичности Арктики были макросейсмические данные в виде описательной информации от населения. В СССР за весь период сейсмологических наблюдений на территории Северного полярного круга функционировало всего пять пунктов сейсмических наблюдений – Апатиты, Хейс, Норильск, Тикси и Иультин. С 1960 г. сеть аналоговых сейсмических станций регистрировала арктические землетрясения с магнитудой 4 [3, с. 42].

В первом нормативном документе СН 8-57 карты сейсмического районирования были приведены фрагментарно для II категории грунтов.  7 бальной зоной были признаны территория и акватория вблизи с. Найба, Республика Саха-Якутия.

С конца 1980-х годов в Арктике различными странами было установлено 43 станции. Полученные данные отразились в нормативных документах, и сейсмичность части Арктического региона повысилась на 1 балл. Это позволил детализировать и уточнить региональные схемы сейсмотектонического районирования и дать более реалистичную оценку степени сейсмического риска при ведении хозяйственной деятельности в Арктическом регионе.

В 1993 г. сотрудниками КНЦ РАН была установлена микросейсмическая группа в сейсмическом пункте «Амдерма». В итоге Баренцевоморская сеть обеспечила представительность регистрации сейсмических событий по береговой зоне на уровне М=3.0-3.5. Но восточная часть этого региона (территория Архангельской обл.) по-прежнему оставалась не охваченной наблюдениями. В период распада СССР большинство арктических сейсмических пунктов было закрыто. Установка новых сейсмических станций (конец 2010 г.) началась с возрождения сейсмологического пункта в п. Амдерма (AMD), затем «Нарьян-Мар» (NRM) и «Земля Франца-Иосифа» (ZFI).

За весь период работы сети зарегистрировано свыше 1500 землетрясений из арктического региона. Подавляющее большинство землетрясений связано с сейсмоактивной зоной, протягивающейся через глубоководную часть Арктики до шельфа моря Лаптевых. Большинство событий произошло в районе архипелага, что говорит о современной сейсмической активности этого региона.

Были проанализированы данные телесейсмических сетей (рис. 1).

Рисунок 1. Расположение станций, ведущих сейсмомониторинг в Арктическом регионе

В связи с проведением разведки на лицензионных участках Роснефти и Газпрома в море Лаптевых, сейчас реализуется российско-германский проекта «Сейсмичность и неотектоника Лаптевоморского региона» (СИОЛА). Временные станции (25 шт.) расположены в зоне разломов. Объектом исследования является шельф и южное побережье моря Лаптевых и побережье от Таймырского полуострова до Новосибирских островов. Ведется регистрация сейсмических событий с целью картирования активных разломов, проводится изучение механизмов очагов землетрясений для уточнения геодинамической обстановки и изучение литосферы. За время проведения работ по проекту с 2015 г. было зарегистрировано свыше 400 землетрясений.

Проблема повышения сейсмостойкости морских инженерных сооружений в мелководной зоне достаточно актуальна, т.к. определяет конструктивные решения и соответственно стоимость сооружения. Обычно используют адаптивные системы, фрикционные системы, гасители колебаний, системы с повышенным демпфированием и др. Несмотря на множество методик и подходов, разнообразие природно-климатических условий и типов сооружений требуется их совершенствования. Обеспечение требуемого уровня сейсмостойкости возможно только с привлечением методов теории вероятностей, случайных процессов и теории надежности строительных конструкций.

Объем знаний современных методов расчета строительных конструкций и принципов их конструирования, а также технологии производства работ, применяемых устройств, направленных на повышение сейсмостойкости, современной техники и состава требований действующей нормативной документации, недостаточен применительно к арктическим сооружениям.

В связи с освоением месторождений нефти и газа на шельфе Арктики необходимо изучение происхождения, состояния и дальнейшей динамики субаквальных мёрзлых пород в условиях современных климатических изменений. Исследования, посвященные несущей способности морских мерзлых грунтов, важны для обеспечения надежности объектов на шельфе. Обеспечение надежной устойчивости сооружений в криолитозоне обусловлено достоверностью характеристик прочности и деформации грунтов [2, с. 65]. Прогноз деформаций является сложной задачей, требующей дальнейших усовершенствований, направленных на повышение достоверности определения деформационных характеристик мерзлых грунтов и закономерностей их изменения.

Последние буровые работы в море Лаптевых велись в заливе Хатанга. На геокриологический разрез была нанесена установленная и предполагаемая граница мерзлых пород по данным полевых и лабораторных исследований. Выполнен комплексный анализ геокриологических условий Хатангского залива на основе полученных результатов экспедиционного исследования и лабораторных испытаний, которые были проведены специалистами Инженерной школы ДВФУ под руководством профессора Беккера А.Т. по контракту с ПАО «НК «Роснефть».

В ходе лабораторных исследований получены как инженерно-геологические характеристики отложений (состав, плотность, влажность, различные виды прочности и т.д.), так и характеристики, позволяющие оценить геокриологические условия (температуру начала замерзания отложений, теплофизические свойства отложений, удельное электрическое сопротивление пород, температуру пород и т.д.).

Были установлены следующие типы грунтов:

• связные дисперсные грунты;
• несвязные дисперсные грунты;
• мёрзлые дисперсные грунты;
• скальные и полускальные грунты;
• мёрзлые скальные грунты.

В прибрежной зоне вскрыты мёрзлые грунты, которые имеют преимущественно массивную криогенную текстуру, невысокую льдистость, температуру вблизи фазового перехода и, как следствие, слоистое криогенное строение. Основная часть разреза представлена суглинками со слоями и линзами песков, супесей и глин. Грунты имеют различный генезис и большой разброс показателей физических и деформационных характеристик, что связано с большим разнообразием строения и криогенных текстур испытанных образцов. Обнаружены многолетние мерзлые толщи наземно-морского происхождения и зона газогидратов.

Разломы в море Лаптевых не вспарываются на всей своей протяженности при отдельном землетрясении. Подвижка охватывает только участок зоны разломов с формированием структурных элементов зоны разломов различной длины (сегментация зоны разломов).

Под влиянием потепления деградация подводной мерзлоты происходит более быстрыми темпами, и переход пород в не мёрзлое состояние происходит скачкообразно. Воздействие метана в донных отложениях и их сейсмическая дестабилизация повышает вероятность катастрофических выбросов, что опасно для сооружений [2, c. 68].

В проведенных исследованиях использован вероятностно-статистический подход в прогнозах сейсмического взаимодействия морских инженерных сооружений с многолетнемерзлыми основаниями моря Лаптевых. Вероятностно–статистические методы учитывают случайную изменчивость всей расчетной информации и на этой основе позволяют оценивать опасности (риски) возможных аварий сооружений до окончания срока их эксплуатации, что невозможно сделать, используя детерминистические расчеты.

Идентифицированы следующие опасные геологические процессы: нормальный уровень сейсмической активности, разжижение грунтов, гравитационное перемещение грунта склонов. Выполнена оптимизация объемно-планировочных и конструктивных решений для повышения сейсмостойкости морских инженерных сооружений в мелководной зоне.

Список литературы:

1. Анисимов Л.А., Маштаков А.С. Геодинамические риски при эксплуатации нефтяных платформ и самоподъемных буровых установок // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и Архитектура. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2012. – Вып. 26 (45). – С. 12-15.
2. Богоявленский В.И. Природные и техногенные угрозы при поиске, разведке и разработке месторождений углеводородов в Арктике // Минеральные ресурсы России: экономика и управление. - 2018. - N 2. - С.60-70.
3. Антоновская Г.Н. Особенности построения Архангельской системы сейсмического мониторинга // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. Матер. Девятой Межд. Сейсмологической школы. - Обнинск: ГС РАН, 2014. - С. 41–45.