Реконструкция схода ледника Колка 20 сентября 2002 года по инструментальным сейсмическим данным

20 сентября 2002 года произошел внезапный сход ледника Колка. В результате исчез расположенный в ущелье поселок Нижний Кармадон, оказалась под водой большая часть домов селения Горная Саниба, погибли люди, в том числе съемочная группа Сергея Бодрова-младшего.

Сразу после схода ледника правительство Северной Осетии создало комплексную экспедицию с участием и при поддержке РАН, МЧС, МГУ и других ведомств и организаций.

Сергей Бодров-младший

На основе инструментальных записей Центра геофизических исследований Владикавказского научного центра РАН и Республики Северная Осетия — Алания (далее — Центр), а также станций сопредельной территории, в 2004 году переданных грузинскими коллегами, был разработан сценарий основных этапов схода ледника Колка. Позднее (в 2006 г.) Центру были переданы инструментальные записи с других станций Северного Кавказа. Это позволило, с одной стороны, проверить полученные ранее результаты, а с другой — существенно дополнить наши знания. Наконец, после получения в 2010 г. сейсмических записей станций системы наблюдений в районе Зарамагской ГЭС Центр располагает всеми имеющимися сейсмическими записями процесса схода ледника Колка 20 сентября 2002 г.

К настоящему времени предложен целый ряд версий (обвал, газодинамический взрыв, гидравлический удар и т.д.). Однако какая-либо полностью с научной точки зрения обоснованная и однозначная версия все еще отсутствует. Для этого нужно расширять доказательную базу.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Анализ инструментальных данных сетей наблюдений различных стран и ведомств

Анализ имеющихся инструментальных данных показывает соответствие основных этапов, полученных на разных пунктах локальной сети сейсмологических наблюдений Северной Осетии , аналоговых записей сети сейсмологических наблюдений Грузии и цифровых записей станций Геофизической службы РАН.

Для детального анализа схода ледника Колка были изучены данные сейсмических станций Абастумани, Амбролаури, Ахалкалаки, Ахалцихе, Они, Тбилиси, предоставленные грузинскими коллегами. Указанные аналоговые записи полностью охватывают период продолжительностью в сутки с 19 по 20 сентября 2002 г. Наиболее полными и качественными являются данные станции Тбилиси (геофизическая обсерватория).

Максимальная продолжительность процесса схода ледника Колка, которую контролировали станции Центра, охватывает 7 минут 40 секунд и, несомненно, включает основную часть процесса схода по его амплитудному вкладу.

Особый интерес представляет собой детальный анализ сейсмической записи станции Фиагдон [1]. Во-первых, это обуславливается близостью ее к району схода (16 км), и, кроме того, расстояние от трассы движения ледово-каменной массы до этой станции остается практически постоянным, что позволяет непосредственно по записям надежно оценивать амплитуды и спектральный состав колебаний грунта, возбуждаемых при движении ледника.

Скорости и ускорения движения ледово-каменного потока

Для анализа рассматриваемого движения использовались данные оперативной схемы Кармадонской котловины и верховьев Геналдонского ущелья на 21.09.02 [2], а также космические снимки до и после схода ледника (ASTER, 27.09.02 и 03.10.02). На схеме были выделены особые точки, связанные с изменением условий транзита ледника и зоны поражения (направление движения, угол наклона и т.д.). При этом на записях выделялись собственно воздействия ледово-каменной массы на борта ущелья и рассчитывались расстояния, проходимые ледником между указанными точками [рис. 02]. Выделение основных этапов движения ледово-каменной массы по сейсмическим записям, на наш взгляд, наиболее целесообразно проводить по графикам энерговыделения, использованным нами ранее [3]. Эти графики представляют собой зависимость квадрата скорости колебаний грунтов в точке наблюдения от времени [рис. 03].

В основу расчета скорости с учетом сил трения была положена следующая формула [4]:

R — гидравлический радиус, представляющий собой отношение поперечного сечения к смоченному периметру; ? — коэффициент турбулентного трения; ? — динамический коэффициент трения; ? — средний угол наклона на участке.

Коэффициент ? зависит от формы трассы и ее шероховатости, ? — от объема "лавины" и типа (сухой/влажный).

Согласно швейцарскому руководству по расчету лавин [5] рекомендуются для коэффициента сухого трения ?=0.155-0.30 и для коэффициента турбулентного трения ?=400-1?000?м/с2. Причем для больших величин "шероховатости" (порядка метра) и для лавин, движущихся по "каналам" (отношение ширины потока к его высоте от 1:1 до 1:2) ?=500-600 м/с2. Еще меньшие значения (400 м/с2) используются при большей шероховатости (величине препятствий).

Значения коэффициента ? для лавин больших объемов (>106 м3) составляет ?=0.155. Причем наблюдается снижение ? при увеличении объема движущейся массы. Механизм такой зависимости до сих пор неизвестен [6]. Отдельные авторы объясняют это образованием воздушной подушки, пара от нагревания поровой воды и т.д. [6]

Феноменология катастрофических оползней показывает, что они имеют характер потоков, поэтому, на наш взгляд, вполне обосновано для оценки движения

ледово-каменных масс ледника использовать соответствующие выражения для оползней. В то же время необходимо учитывать влияние скорости движения массы на величину коэффициента трения.

С другой стороны, величина турбулентного трения для наших условий должна быть, видимо, порядка 400-600 м/с2.

Для вычисления параметров, необходимых для расчетов (поперечное сечение потока и т.д.), использовались данные оперативной схемы Кармадонской котловины и верховьев Геналдонского ущелья на 21.09.02.

На рисунке 04 приведено изменение скорости движения вдоль профиля, рассчитанное по сейсмологическим данным (с использованием сплайн-интерполяции) и результаты расчетов по вышеприведенной формуле. Расчет производился для участка после поворота массы в районе л. Майли. Наибольшее соответствие значений по расчетной кривой со значениями скоростей, полученными экспериментально, наблюдается для ?=0.113 и ?=350 м/с2. Хорошо видно, что данные значения достаточно близки к калибровочным оценкам, приведенным выше. Меньшее значение ? можно объяснить большой "шероховатостью" вдоль трассы (которая, вообще говоря, изменяется). Например вдоль трассы в точках 5-9 [рис.02 ] наблюдаются заметные изменения направления движения, т.?е. после поворота в точке 5, в результате чего происходит уменьшение кинетической энергии движущейся массы и, соответственно, уменьшение скорости. Увеличение общего уровня амплитуд после точки 5 также отмечается на графике энерговыделения [рис. 03].

На рисунке 03 также приведен наклонный профиль вдоль зоны транзита. Изменение крутизны склона приводит к уменьшению величины проекции силы тяжести на направление движения и, соответственно, к уменьшению ускорения и последующему торможению движущейся массы (величина ускорения становится отрицательной), что отмечается для обоих графиков изменения скорости.

Оценка протяженности ледово-каменного потока

Очевидна связь размеров ледово-каменного потока и скорости движения его на различных участках. Для оценки протяженности потока была произведена оценка объемов между соответствующими разрезами, занимаемыми ледово-каменной массой. В результате мы можем оценить динамику изменения протяженности ледово-каменной массы на различных этапах движения [рис. 05]. Таким образом, длина потока на участке после перехода через ледник Майли достигала 5.0-5.5?км, и при переходе в зону аккумуляции на конечном этапе движения длина уменьшилась до 3?км. А поскольку оценка длины производилась по максимальным объемам, протяженность может быть еще больше. Тем не менее динамика сохраняется и полностью соответствует динамике изменения скорости движения. При переходе к участку с меньшим углом наклона происходит торможение фронтальной части, в то время как тыловая часть продолжает двигаться с большей скоростью, в результате чего протяженность уменьшается.

Сейсмическая интенсивность проявления процесса

Одним из вопросов, представляющих научный и практический интерес, является оценка уровня воздействия ледово-каменной массы ледника Колка 20 сентября 2002 г. на горную породу в месте удара, то есть оценка динамической интенсивности воздействия на горную породу. В процессе исследования макросейсмического проявления окрестностей зоны транзита ледника Колка нами в июле 2005 г. было, в частности, обследовано пятиэтажное здание в с. Верхнее Кани, расположенное в непосредственной близости от места удара ледово-каменной массы.

Согласно результатам макросейсмического обследования, интенсивность в районе здания была условно оценена в 4-5 баллов. Схема сейсмических изосейст события по результатам макросейсмического обследования района схода ледника Колка в 2005 году представлена на рисунке 06 . Предполагается направленность областей изосейст в соответствии с направлением удара. В условиях горного рельефа эти области, несомненно, будут сильно искажаться. Также направленность воздействия, вероятно, значительно влияет на картину распределения интенсивностей, что выражается в зависимости от азимута на источник. В связи с этим важно отметить, что обследованные населенные пункты Кани, Тменикау, Ламардон, Джимара расположены фактически в одном направлении и позволяют достаточно достоверно проследить изменение интенсивности с расстоянием.

Можно вспоминать трагические события двенадцатилетней давности по-разному: рассматривать сход ледника Колка исключительно через траурную призму или, не забывая о прошлом, планировать будущие задачи и решать соответствующие проблемы. Для этого, очевидно, надо создавать условия, чтобы исключить в будущем повторение подобных последствий. Самой лучшей памятью безвременно ушедшим будет именно такой подход.

В 2011 г. Центром была создана сейсмическая станция в верховьях реки Геналдон на высоте 2970?м. Уже три года ведутся наблюдения за сейсмическими процессами в районе Казбекского вулканического центра. 17 мая 2014 г. станцией зарегистрирован обвал массы горных пород и льда в районе ледника Девдорак и движение образовавшегося лавинообразного потока вниз по ущелью с последующим перекрытием русла р.Терек. Образовалось подпрудное озеро, которое представляло реальную потенциальную опасность для г. Владикавказа. Движение по Военно-Грузинской дороге было надолго перекрыто.

Как изменило исследование трагедии Колки наши представления о ледниках

Детальное исследование трагедии, связанное с Колкой, конечно, изменило наши — во всяком случае мои, — представления вообще о ледниках и, в частности, о ледниках Северного Кавказа. Массовая людская память, хотя и помнит отголоски давних событий, может за одно-два поколения совершенно забыть, если они смешиваются с другими памятными процессами.

Вот, например, имел место сход ледника Колка в 1902 году, когда также погибло много людей. Тогда ледник Колка за несколько дней сошел два раза. И второй сход погубил спасателей и людей, ищущих близких. Можно только удивляться всем тем расторопным приказам, сообщениям и распоряжениям представителей властных структур сразу после трагедии. Речь шла и о помощи населению. Все эти губернаторы, генералы, атаманы, урядники, ученые, крестьяне формировали, с нашей точки зрения, вполне достойное общество.

Затем были исследования, результаты которых представляют большой научный интерес и сегодня. Так что опасность ледника вполне была известна. Но потом произошли две революции, Первая мировая война, Гражданская война. Тысячи людей погибли, были переселены, потеряли связь со своей родиной. Все это ослабило память. Иначе как можно объяснить, что в наше время на транзите ледника возник новый плотно населенный поселок, заранее обреченный Нижний Кармадон. Там даже появился дом отдыха! Медленный и поэтому неопасный сход ледника Колка в 1969 и в1970 гг. напомнил об опасности. Но, к сожалению, ничего не изменил.

О причинах коллапса ледника

Единственную причину схода ледника Колки очень сложно назвать. Известны четыре возможные причины, но указать однозначно на какую-либо из них, увы, мы на сегодня не смогли. Это мог быть гидравлический удар, или газодинамический взрыв, или удар от падения висячего ледника. Наконец, это могло быть результатом воздействия удаленного землетрясения на тело ледника. Это воздействие длиннопериодное, и его собственный период колебаний мог совпасть с собственными колебаниями Колки, вызвав резонанс. Есть такие теории. Но вот доказательность причин недостаточна. Не потому что ученые не работают. Наоборот, благодаря именно нашим республиканским геологам мы смогли рассчитать во всех деталях, как ледник сходил. И длину потока, и все остальное.

Что касается других ледников Северного Кавказа, наши коллеги с географического факультета МГУ (С.С. Черноморец, О.В. Татубалина и др.) многое делают по их изучению. И мы надеемся, что инструментальные методы, разработанные для ледника Колка, будут апробированы и для других ледников.

[1] Заалишвили В.Б., Мельков Д.А. Особенности движения ледово-каменной массы 20 сентября 2002 г. по сейсмологическим и геоморфологическим данным // Опасные природные и техногенные геологические процессы на горных и предгорных территориях Северного Кавказа: тр. Междунар. науч.-практ. конф. (г. Владикавказ, 20-22 сент. 2007 г.). Владикавказ: ЦГИ ВНЦ РАН и РСО — А. 2008. С. 185-195

[2] Долгов Г.А., Дробышев В.Н. Оперативная схема Кармадонской котловины и верховьев Геналдонского ущелья на 21.09.2002. Катастрофическая подвижка ледника Колка. Масштаб 1:10?000 / ФГУГП Севосгеологоразведка. Владикавказ, 2002

[3] Заалишвили В.Б., Невская Н.И., Харебов К.С. Анализ инструментальных записей схода ледника Колка по данным локальной сети сейсмических наблюдений // Вестн. Владикавк. науч. центра. 2004. Т.4. N3. С. 58-64

[4] Guber H. Swiss Avalanche-Dynamics Procedures for Dense Flow Avalanches. AlpuG, 2005. URL: www.alpug.ch/?pdf/?pdf_01_en.htm

[5] Salm B., Burkard A., Gubler H.?U. Berechnung von Flieslawinen: eine Anleitung fur Praktiker mit Beispielen // Mitteilungen des Eidgenossischen Instituts fur Praktiker mit Beispielen. Mitteilungen des Eidgenossischen Instituts fur Schnee- und Lawinenforschung. Davos, 1990. N47

[6] Шейдеггер А.Е. Физические аспекты природных катастроф. М.: Недра, 1981. С. 232

текст Владислав Заалишвили, доктор физико-математическийх наук, профессор, директор Центра геофизических исследований Владикавказского научного центра РАН и Республики Северная Осетия -Алания