Разработка методов системного анализа пространственных данных, моделирования и деформационного мониторинга с использованием ГНСС для оценки устойчивости геологической среды и предупреждения природно-техногенных катастроф

Научное исследование посвящено проблемам создания новых методов, методик и алгоритмов системного анализа, математического моделирования и мониторинга современных движений земной коры средствами ГНСС для выявления и предупреждения природно-техногенных аварий и катастроф, в т. ч. при захоронении радиоактивных отходов в геологических формациях. Геодинамическая нестабильность – причина многих природных катастроф (землетрясения, извержения вулканов, оползни, сели и др.). Природные факторы могут инициировать техногенные аварии (обрушения зданий и сооружений, взрывы на шахтах, нарушения целостности плотин и др.) и, наоборот, техногенные процессы могут оказывать негативное влияние на природную среду, сопровождающееся экологическими и технологическими авариями. Специфика страны (огромная территория, высокий уровень износа производственных фондов и объектов инфраструктуры и т. д.) определяет необходимость разработки особых мер в отношении снижения подверженности населения и экономики рискам природно-техногенных катастроф. Решение этой проблемы неразрывно связано с системным анализом пространственных геолого-геофизических данных, которые характеризуются зашумленностью, разноформатностью и недостаточным объемом для принятия обоснованного решения. Фундаментальное свойство геологической среды - иерархическое блоковое строение земной коры. Дифференцированные движения тектонических блоков в результате эндогенных геодинамических факторов (местных и удаленных землетрясений, тектонических подвижек по разломам, длиннопериодных криповых процессов и т.д.) приводят к дестабилизации геологической среды, а также к негативным геомеханическим процессам. Они представляют большую опасность для населения, окружающей среды и производственных объектов, особенно с длительным сроком эксплуатации (горнорудные предприятия, объекты захоронения РАО, гидротехнические объекты и др.). Тектонические движения отличаются большой энергетической масштабностью и влияют на напряженно-деформированное состояние породного массива на контактах крупных неоднородностей природного и техногенного характера (тектонические разломы, зоны дробления, системы горных выработок и т.п.), образуя зоны концентрации напряжений и участки высококонтрастных деформаций. Огромную опасность представляют землетрясения, связанные с активными тектоническими разломами в земной коре. В настоящее время для решения задач оценки и предупреждения опасности подобных явлений необходимо использование современных геоинформационных методов, методик и алгоритмов обработки и интерпретации геопространственных данных. Благодаря совместному использованию систем ГЛОНАСС и GPS, получение оценок смещений пунктов земной поверхности в сетях локального геодинамического мониторинга сегодня осуществляется с точностью до первых миллиметров. Локальные наблюдательные ГНСС-сети также способствуют обеспечению безопасной эксплуатации ответственных инженерных объектов, например, таких, как гидротехнические сооружения и подземные объекты захоронения высокоактивных РАО. Также активно развиваются численные методы моделирования напряженно-деформированного состояния породных массивов вместе с возросшими возможностями вычислительной техники, включая 3D-моделирование. Несмотря на это, существуют проблемы в части системного обобщения геопространственных данных, получаемых различными методами, и их комплексной интерпретации. Особенно это важно для оценки риска, прогноза и предупреждения природно-техногенных аварий и катастроф. В этой связи, разработка методов системной оценки устойчивости геологической среды, математического моделирования и деформационного мониторинга современных движений и деформаций с использованием ГНСС для предупреждения природных и техногенных угроз населению, окружающей среде и особо опасным объектам является актуальной научной задачей, имеющей практическое значение и востребованность в реальном секторе экономики. Необходимо подчеркнуть, что нерешенность проблемы утилизации высокоактивных РАО с длительным периодом полураспада более 10 тыс. лет является препятствием на пути инновационного развития страны. Проблема в настоящее время может быть решена единственным способом – захоронением в глубокие геологические формации. Поэтому практическое приложение исследований по теме ориентировано на прогноз устойчивости геологической среды при захоронении РАО в породах Нижнеканского массива. Планируемые к реализации задачи. 1. Теоретическое и экспериментальное обоснование высокоточных наблюдений за современными движениями земной коры с использованием средств ГНСС, проведение ГНСС-наблюдений на локальных геодинамических полигонах, включая пункты глубинного захоронения РАО, исследование взаимосвязи и закономерностей современных движений и деформаций земной коры с сейсмичностью и вулканизмом. 2. Разработка новых методик и алгоритмов и исследование тектонических процессов на различных масштабных уровнях в зонах активного орогенеза, сейсмоопасных районах и в местах захоронения РАО с использованием методов математического моделирования напряженно-деформированного состояния земной коры. 3. Совершенствование методов системного анализа геопространственных данных и геодинамического районирования для оценки устойчивости геологической среды и их экспериментальная проверка. Оценка геодинамической и геомеханической безопасности захоронения РАО 1-го и 2-го классов на участке «Енисейский» Нижнеканского массива в районе строительства подземной исследовательской лаборатории.