Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,976

Введение

Проблема формирования условий активизации современных негативных для социума внешних и внутренних геодинамических процессов является очень актуальной, так как от нее зависит разработка эффективных экологически чистых геотехнологий предупреждения аварийных ситуаций на природно-техногенных объектах различной степени опасности. В настоящее время по данной теме проведено много исследований высокого уровня, которые, однако, сложно, а порой и невозможно использовать при разработке отмеченных геотехнологий [1]. Фиксируется также слабая изученность этой сложнейшей комплексной проблемы с учетом непрерывной динамики вещества земной поверхности и глубоких горизонтов в условиях ротации Земли [2].

При корректной формализации геоданных возникает необходимость минимизации допущений, приведенных и проанализированных в [3]. Там же [3, с. 50] приводится, в частности, и неверное допущение о том, что значения высот рельефа в различных точках земной поверхности функционально не связаны между собой. Такое допущение заложено в методике создания цифровых моделей рельефа. Поэтому эти модели целесообразно модернизировать, чтобы применять их далее для проведения геофизических исследований и изучения напряженного состояния недр.

При создании новой базовой геоосновы для цифровых моделей рельефа с учетом современных негативных изменений геологической среды необходимо использовать фактические данные, отражающие непрерывные геодинамические процессы крупного ранга, в том числе господствующее усиление уплотнения вещества к центру Земли. В настоящее время значимость этого процесса недооценивается, хотя совершенно очевидно, что при его ослаблении усилится антипод – процесс разуплотнения вещества к центру Земли, который способен разрушить планету.

Индикаторами господствующего усиления уплотнения вещества к центру Земли являются тальвеги, точнее транзитные тальвеги, обладающие свойством непрерывности [4; 5]. Однако в мире пока тальвеги используются только фрагментарно, не как системные геологические объекты. Отдельные фрагменты тальвегов представлены относительно широко в зарубежной практике для решения конкретных задач, например, модернизации уже существующих цифровых моделей рельефа [6; 7], исследования склоновых процессов [8]. Тем не менее такой фрагментарный подход не позволяет учесть уровни естественного управления процессами денудации и ротационный фактор, что необходимо при совершенствовании геоосновы (фундамента) для технологий недропользования.

В единой системе транзитных тальвегов каждая точка земной поверхности выполняет свои функции. Относительно самые низкие точки являются местными базисами денудации (МБД) разного ранга. МБД в узлах транзитных тальвегов отражают взаимодействие встречных гидро- и литодинамических потоков. В таком узле зафиксирован первый уровень естественного управления процессами денудации, при котором роли соединяющихся транзитного потока и его активного притока четко определены. Другие точки выполняют функцию слабых звеньев, связующих МБД между собой, в них реализуются взаимодействия противоположных потоков (имеющих разные МБД) через местный водораздел. Таким образом, транзитные тальвеги структурированы не только узлами, но и воронками, каждая из которых является сферой влияния конкретного узла гидро- и литодинамических потоков.

В настоящее время также недооценивается ротационный фактор в геологии [9]. Хотя, по мнению А. Ю. Ретеюма [10, с. 169], обнаружение импульсов, исходящих из маховика планеты, который при резком изменении скорости своего вращения при­водит в движение механизм Эль-Ниньо и Ла-Нинья, открывает перспективы предвидения. Главная трудность состоит в отсутствии надежной ин­формации о факторах, контролирующих продолжительность суток. Согласно [11], график изменения скорости вращения Земли напоминает плавные волны. Одновременно известно, что путь Земли вокруг Солнца неровный, и это отражается на скорости ее вращения вокруг своей оси. При замедлении вращения Земли усиливаются негативные процессы на земной поверхности, в том числе сейсмичность [12; 13].

Цель исследования – разработка нового подхода к выявлению негативных геодинамических факторов среды с учетом интегрированных данных о транзитных тальвегах и ротации Земли.

Материалы и методы исследования

Для показа нового подхода к выявлению негативных геодинамических факторов среды с учетом интегрированных данных о транзитных тальвегах и ротации Земли был выбран участок земной поверхности с нефтедобывающей платформой в Мексиканском заливе, где в 2010 г. произошла авария [14; 15].

Транзитные тальвеги на земной поверхности определялись с использованием общегеографических карт разного масштаба, а также батиметрических данных [16; 17]. В методическом плане при необходимости поэтапной детализации характера расчленения наклонных участков земной поверхности, где размещены природно-техногенные объекты, целесообразно также применять топографические карты крупного масштаба и материалы дистанционного зондирования Земли. При дешифрировании по аэро -и космическим фотоматериалам склоновых процессов усиления сноса необходимо применять методику, приведенную в работе [18, с. 177–245].

Для учета ротационного фактора использовалась глобальная система гидро- и литодинамических потоков, действующая на земной поверхности и состоящая из мощнейшего течения Западных Ветров (ТЗВ) с запада на восток и двух его активных противоположных притоков (атлантического и тихоокеанского). Данная система, выявленная с помощью транзитных тальвегов самого крупного ранга, помогла определить два режима вращения Земли вокруг своей оси (усиление тихоокеанского притока ТЗВ и ослабление атлантического и, наоборот, усиление атлантического и ослабление тихоокеанского притока ТЗВ). Такие режимы сменяют друг друга через каждые 12 ч. Более подробно это изложено в работе [4].

С использованием транзитных тальвегов разного ранга выделяются три вида взаимосвязанных геодинамических структур естественного управления процессами денудации разного ранга:

1. Положительные области сноса [5].

2. Отрицательные области (депрессии) – сферы узлов транзитных тальвегов [19].

3. Склоны с двумя координатами наклона в ортогональных плоскостях [20].

В методическом плане в зависимости от решаемой практической задачи целесообразно применять сочетания данных структур при ведущей роли одной из них. При разработке, например, геотехнологии недопущения обмеления рек и усиления сейсмичности в качестве ведущих структур целесообразно использовать сферы узлов транзитных тальвегов, при создании геотехнологии предотвращения расчленения участка земной поверхности и борьбы с усилением эрозионных процессов – склоны, хотя при этом могут учитываться и оставшиеся два вида структур относительно низкого ранга.

Для выявления степени потенциальной опасности разрушения рассматриваемого склона (наклонного в двух ортогональных направлениях участка земной поверхности), на котором размещалась до аварии нефтедобывающая платформа, прежде всего нужно знать его пределы и характер естественного развития. Согласно [20], нижней его границей является транзитный тальвег, верхней – линия водораздела, связанная с отмеченной зоной транзитного тальвега, боковые границы склона отражают пределы взаимодействия двух ортогональных составляющих наклона, одна из которых в зоне транзитного тальвега показывает характер естественного управления как самим склоном, так и эрозионными процессами на нем.

По вновь разработанным соответствующим регламентам с использованием общегеографических и батиметрических (при необходимости) карт крупного масштаба, а также аэрофотоматериалов можно будет определить достаточно точные количественные характеристики границ каждого такого склона на земной поверхности, а также процессов его дренирования и расчленения. Склоны, функционирующие на разных глубоких горизонтах, выявляющиеся с помощью структурных геологических карт, в свою очередь, могут позволить в перспективе получить новые данные о закономерностях современных изменений геологической среды, влияющих на степень безопасности природно-техногенных объектов.

Из трех видов геодинамических структур склоны являются более мобильными. Поэтому необходим их мониторинг. Наиболее опасный режим развития склона – растяжение его в плоскости управляющего транзитного тальвега, расчленение и разрушение. Этот негативный процесс реализуется при определенном режиме ротации Земли.

Так как по факту ТЗВ совпадает по направлению с вращением Земли вокруг своей оси и движением ее по орбите, то при решении поставленной проблемы необходимо рассматривать влияние отмеченных ротационных процессов на развитие выделенного склона. Замедление вращения планеты приводит в определенное время к замедлению и ослаблению ТЗВ. При этом возрастает роль взаимодействия двух противоборствующих его активных притоков, что не способствует сохранению относительной устойчивости планеты и безопасному развитию склонов. Необходимо учитывать, что, согласно [16], атлантический приток всегда активнее тихоокеанского по латерали, но по вертикали последний сильнее, так как в нем задействован самый глубокий МБД на земной поверхности в Марианской впадине.

Результаты исследования и их обсуждение

20 апреля 2010 г. в 22 ч по местному времени произошел взрыв на нефтедобывающей платформе Deepwater Horizon, расположенной в 80 км от побережья штата Луизиана (США) в Мексиканском заливе, в условиях замедления вращения Земли [14; 15; 21]. На рис. 1 показан склон, в пределах которого функционировала эта аварийная нефтедобывающая платформа. Границами склона являются управляющий транзитный тальвег (синяя линия) и пределы действия (красная линия) приточной системы в зону данного тальвега. Управляющий транзитный тальвег является продолжением подобного, в котором развивается река Миссисипи. На рис. 1 отмечен узел 1 транзитных тальвегов относительно крупного ранга, функционирующих на дне Мексиканского залива. Согласно [17], отмеченный подводный склон сильно эродирован в субмеридиональном направлении. Он имеет две координаты наклона, одна из них (синяя стрелка) управляющая, от которой зависит интенсивность проявления денудационных процессов. Вторая (красная стрелка) – выражена слабо. Фиксируется очень большой уклон управляющего тальвега, намного превышающий подобный показатель самого склона.

Исследуемый склон (рис. 1) расчленен по факту [17] таким образом, что приточная система в зону управляющего транзитного тальвега выражена слабо, при этом также фиксируются достаточно протяженные участки притоков, параллельные зоне управляющего транзитного тальвега (синяя линия). Такой характер расчленения может быть реализован при растяжении склона в субширотном простирании. Если бы рассматриваемый склон развивался в условиях растяжения в субмеридиональном простирании, то приточная система была бы ориентирована преимущественно ортогонально сильно расчлененной зоне управляющего транзитного тальвега.

Склоновые процессы усиливаются или ослабевают в зависимости от режима вращения Земли и особенностей движения ее по орбите. Кроме того, характеристики сопряженных склонов на различных горизонтах могут сильно отличаться и по-разному действовать на соседние участки природно-техногенного объекта, что способствует его деформациям и созданию аварийной ситуации.

Рис. 1. Подводный склон в Мексиканском заливе (оконтуренный cиней (транзитный тальвег) и красной (предел действия склона) линиями, с двумя ортогональными координатами наклона, показанными синей и красной стрелками), где 20 апреля 2010 г. произошла авария Примечание: составлен автором по результатам данного исследования с использованием источников [14; 15; 17]

Согласно [13], геодинамическую нестабильность могут вызвать пульсации, многократные колебания объема Земли, которые, в свою очередь, являются причинами периодического возрастания деформаций сжатия и растяжения самой земной коры и отдельных подвижных ее зон.

Непрерывное вращение Земли вокруг своей наклоненной к плоскости эклиптики оси влияет на развитие господствующего процесса усиления уплотнения вещества к центру Земли. Моделирование показывает, что при таком вращении Земли всякий склон попадает в кардинально разные условия развития через каждые 12 ч (растяжения или сжатия зон транзитных тальвегов субмеридионального простирания).

Рассматриваемая авария случилась при первом режиме ротации Земли, когда усиливался тихоокеанский приток ТЗВ. При таком режиме отмеченный на рис. 1 склон развивается с 12 ч дня до 12 ч ночи в условиях растяжения, раскрытия зон транзитных тальвегов субмеридионального простирания, что не способствовало устойчивости расположенной на данном склоне нефтедобывающей платформы. Было бы целесообразно рассмотреть в будущем и динамику сопряженных наклонных участков на разных глубоких горизонтах, задействованных при обустройстве данного техногенного объекта.

По факту [16] нестабильным зонам транзитных тальвегов, структурированным воронками и имеющим четкие пределы своего действия, свойственны экстремальные значения погружения.

Для получения дополнительных знаний об орбитальном пути Земли была проведена систематизация экстремальных изменений скорости вращения Земли, отраженных в [21]. Ускорение и замедление вращения Земли в [21] рассматриваются относительно общепринятой продолжительности суток. К сожалению, пока нет информации об изменениях скорости вращения Земли в течение суток, чтобы проследить более детально взаимосвязи двух противоположных режимов ее вращения вокруг своей оси.

При систематизации отмеченных выше данных в рамках проведенных исследований впервые учитывались темп и ранг противоположных процессов ускорения и замедления. В результате в разные годы достаточно четко были выделены периоды продолжительностью 11–17 суток, включающие два максимума и один минимум замедления на фоне общего замедления (табл. 1) или два минимума и один максимум ускорения на фоне общего ускорения (табл. 2, № 6). Фиксируются также переходные периоды, когда внутри них происходит смена противоположных процессов, замедление сменяется ускорением, и наоборот. Такие периоды обязательно включают относительный максимум ускорения (табл. 2, № 1–5).

Следует отметить, что каждый выделенный период показывает не только временной интервал, но и соответствующий ему отрезок (депрессию) пройденного орбитального пути. Известно, что за сутки Земля проходит по орбите почти 2,6 млн км.

Такие внешние по отношению к Земле пространственно-временные структуры – депрессии по положению могут быть прямыми (по ходу движения) и обратными (барьеры). Это показывает разность экстремальных граничных значений изменения вращения планеты.

Таблица 1

Периоды изменения темпа замедления вращения Земли, в том числе включающие даты аварий на нефтедобывающей платформе в Мексиканском заливе (20 апреля 2010 г.), на АЭС в Чернобыле (26 апреля 1986 г.) и Фукусиме (11 марта 2011 г.)

Примечание: составлена автором на основе полученных данных в ходе исследования с использованием источника [21].

В рассматриваемых структурах фиксируются две части одного ранга. В одной из них по ходу движения Земли по орбите, например, на фоне общего замедления темп его уменьшается, а в другой – увеличивается. На фоне общего ускорения выделяются отрезки времени, когда темп ускорения сначала увеличивается, а затем уменьшается. Эти две части разделены переходом, своеобразной орбитальной зоной напряжений (ОЗН), где реализуется прямой контакт противоположных процессов уменьшения и увеличения замедления (или, соответственно, увеличения и уменьшения ускорения). В такой зоне фиксируется или минимум замедления, или максимум ускорения вращения Земли.

По своей сути ОЗН является геодинамическим стресс-фактором, сила его напрямую зависит от разности количественных параметров усиления ускорения в ОЗН и последующего увеличения замедления, а также от ранга депрессии на орбите. Эта проблема требует дополнительных изысканий.

Выделенные с учетом [21] периоды прохождения Землей соответствующих депрессий на своем пути доказывают, что орбита планеты не является ровной. Она и не замкнутая, а представляет собой взаимосвязанные спиральные витки, которые могут изменяться (продолжительность года уменьшается или увеличивается в определенных пределах).

Определены границы (относительные максимумы замедления) орбитальных депрессий в 2009–2012 гг., включающих 20 апреля, в том числе дату аварии на нефтедобывающей платформе в Мексиканском заливе (табл. 1, № 5–8).

Обращает на себя внимание то, что внутри выделенных периодов подобные более низкого ранга не просматриваются. Поэтому можно на начальном этапе исследований считать их первичными, способными к закономерному изменению во времени и в пространстве. Продолжительность данных периодов с 20 апреля изменяется от 15 (2009 г.), 13 (2010 г.), 14 (2011), до 17 (2012 г.) суток (табл.1, № 5–8).

В такой системе периодов авария в Мексиканском заливе 20 апреля 2010 г. произошла сразу после прохождения Землей ОЗН 19 апреля 2010 г. (табл. 1, № 6). И после ОЗН наблюдалось резкое увеличение замедления вращения.

Кроме того, после этой аварии в следующем 2011 г. зафиксированы смещение ОЗН на 3 дня и изменение направления наклона воронки (табл. 1, № 6, 7). Такое изменение наклона депрессии может свидетельствовать о смещении границ подобной структуры более крупного ранга, что требует дополнительных исследований.

Выявлены смещения границ данных периодов на протяжении нескольких лет (2010–2012 гг.). По всей вероятности, эти смещения границ связаны также и со сбоем в их системе, произошедшим 13 марта 2010 г. (в период с 1 по 17 марта 2010 г. после ОЗН). Данный характерный сбой мог произойти из-за перехода орбиты на более высокий спиральный виток. В следующем 2011 г. 13 марта была зафиксирована ОЗН и изменился наклон депрессии (табл. 1, № 9, 10).

Таблица 2

Периоды изменения темпа вращения Земли по орбите, каждый из которых обязательно включает относительный максимум ускорения

Примечание: составлена автором на основе полученных данных в ходе исследования с использованием источника [21].

Необходимо отметить, что, согласно [21], при режиме замедления вращения Земли зафиксированы также широко известные аварии на АЭС в Фукусиме 11 марта 2011 г. в 14 ч 46 мин (при активизации атлантического притока ТЗВ) и на АЭС в Чернобыле 26 апреля 1986 г. в 01 ч 23 мин по местному времени (при усилении тихоокеанского притока ТЗВ). Были выявлены периоды (пространственно-временные орбитальные структуры) с датами этих аварий (табл. 1, № 9–11 и 1–4 соответственно).

Авария на Чернобыльской АЭС произошла на 3 дня раньше ОЗН в этом периоде (29 апреля). Дата аварии соответствует моменту ОЗН в предыдущем 1985 г. (табл. 1, № 1, 2). В связи с этим представляется логичным, что орбита, по которой движется Земля, не абстрактная и не стихийная, а изначально функционирующая как своеобразная «колея» по всем спиральным предыдущим виткам.

Авария на АЭС в Фукусиме была зафиксирована за 2 дня до ОЗН в соответствующий период 2011 г. и через 3 дня после ОЗН в предыдущем 2010 г. (табл. 1, № 10, 9).

С использованием систем транзитных тальвегов и методических приемов, отмеченных в [19; 20], можно выявить склоны с двумя координатами уклона, на которых функционировали АЭС в Чернобыле и в Фукусиме. С учетом режимов ротации Земли вокруг своей оси в даты аварий данные склоны также развивались в неблагоприятном режиме растяжения в субширотном простирании. Этот неблагоприятный режим усилился в моменты прохождения Землей соответствующих ОЗН.

Исследования показали, что подобный период продолжительностью 11 суток (табл. 1, № 11) является пока экстремально коротким (1 из 30). Кроме того, границы выявленных смежных периодов делят сутки на две части (одна относится к одному периоду, а другая – к смежному). Это подтверждает необходимость измерения скорости вращения Земли дважды в течение суток с учетом режимов ее ротации вокруг своей оси.

На рис. 2 показаны изменения замедления вращения Земли 11 марта, 20 апреля, 26 апреля в 1985, 1986, 2010, 2011 гг. В отмеченные дни в разные годы просматривается различная тенденция изменения замедления: 11 марта и 20 апреля – оно уменьшается, 26 апреля – сначала увеличивается до 2010 г., затем уменьшается.

Рис. 2. Изменения замедления вращения Земли 11 марта, 20 апреля, 26 апреля в 1985, 1986, 2010, 2011 гг. Примечание: составлен автором по результатам данного исследования с использованием источника [21]

Рис. 3. Относительные изменения скорости вращения Земли с 12 по 30 сентября в 2022 и 2023 гг. Примечание: составлен автором по результатам данного исследования с использованием источника [21]

Поэтому при выявлении общих закономерностей замедления или ускорения вращения Земли необходимо учитывать данные по периодам (табл. 1, 2) с экстремальными значениями этих противоположных процессов, в том числе и ОЗН.

С учетом [21] необычные сотрясения (дрожь Земли при ускорении ее вращения), зафиксированные 16–24 сентября 2023 г., также связаны с ОЗН и изменениями неровностей орбитальных витков в 2023 и 2022 гг. (табл. 2, № 1, 3, 4). А гигантский оползень в Гренландии (разрушение соответствующего склона) и мощное цунами [22] являются лишь следствиями данных сотрясений планеты и действия определенного режима вращения Земли.

На рис. 3 показаны выявленные с использованием [21] два периода изменения скорости вращения Земли с 12 по 27 сентября 2022 г. (синяя линия) и с 17 по 30 сентября 2023 г. (красная линия) относительно нуля – наиболее глубокой ОЗН 20 сентября 2022 г. (табл. 2, № 1, 3, 4). Во второй период на фоне ускорения вращения Земли зафиксирована ее дрожь с 16 по 24 сентября 2023 г.

Как видно из рис. 3, в целом депрессия 2022 г. была относительно более глубокой, чем подобная ей 2023 г. Наклон отмеченных депрессий изменился. С 15 по 22 сентября 2023 г. скорости вращения Земли существенно меньше тех, которые были зафиксированы в эти даты в предыдущем 2022 г.

Примечательно, что именно 16 сентября 2023 г. в первый раз были зарегистрированы дрожь Земли и резкое расхождение скоростей вращения в отмеченные годы. Скорости вращения 15 сентября 2023 г. и 15 сентября 2022 г. близки по величине. ОЗН (с максимумами ускорения) зафиксированы 20 сентября 2022 г. (главный) и 23 сентября 2023 г. С 22 сентября 2023 г. ситуация изменилась на обратную: депрессия 2023 г. на орбите стала глубже подобной 2022 г. Дрожь Земли закончилась 24 сентября 2023 г., когда были пройдены ОЗН 2022 и 2023 гг. Таким образом, необходим учет неровностей орбитального пути Земли не только на текущем, но и на предыдущем спиральных витках.

Полученную информацию о закономерных изменениях скорости вращения Земли целесообразно использовать при выявлении динамики склонов, разработке четких технологических регламентов взаимодействия последних с природно-техногенными объектами (будущими или уже существующими).

Заключение

Новые интегрированные данные о динамике склонов и о ротации Земли позволяют выявить современные геодинамические факторы среды, негативно влияющие на природно-техногенные объекты. Как показали исследования, целесообразно принимать во внимание режимы вращения Земли в течение суток и периоды изменения скорости ее вращения, отражающие особенности орбитального пути. Из-за действия двух различных режимов дренирования земной поверхности (и глубоких горизонтов) при вращении планеты вокруг своей оси каждый выделенный склон может развиваться в конкретное время суток в неблагоприятных условиях, способствующих усилению его расчленения. Это один из геодинамических стресс-факторов среды, который действует через определенные интервалы времени и который необходимо учитывать в экологически чистых геотехнологиях.

С использованием фактических данных Международной службы вращения Земли и принципов определения транзитных тальвегов были впервые выявлены в разные годы достаточно четкие периоды (пространственно-временные структуры), которые показывают взаимосвязи и изменения противоположных процессов замедления и ускорения вращения планеты, а также моменты их неблагоприятных проявлений в точках переходов – ОЗН (с относительным минимумом замедления или максимумом ускорения). При этом значительное замедление вращения планеты после таких переходов способствовало увеличению расчленения склонов разного ранга и созданию неблагоприятных условий для функционирования конкретных природно-техногенных объектов (нефтедобывающей платформы в Мексиканском заливе и АЭС в Чернобыле и Фукусиме).

Длительность выделенных периодов закономерного изменения скорости вращения Земли составляет от 11 (пока экстремально короткая) до 17 суток. Этот диапазон может быть немного расширен из-за ограниченных (по числу) сбоев в их системе в моменты неблагоприятного перехода спиральной орбиты с одного витка на другой.

Подобные временные периоды прохождения Землей депрессий на орбитальном пути отражают дополнительные стресс-факторы, которые связаны с изменениями темпов замедления или ускорения, а также с ОЗН в предыдущие (до аварий) годы и в целом с накоплением негативных изменений. Такие обстоятельства заставляют более широко и детально исследовать подобные депрессии, функционирующие в пределах орбитального пути Земли, и прогнозировать развитие ОЗН разного ранга. Это большие данные, требующие систематизации и цифровизации всей информации об изменениях скорости вращения Земли по конкретному показанному выше принципу. Полученная в итоге новая информация позволяет выявлять закономерности изменений орбитального пути Земли и возможное усиление негативных ситуаций для природно-техногенных объектов, расположенных на земной поверхности на конкретных склонах (с двумя координатами наклона и с элементом естественного управления процессами денудации).

Проведенные исследования также показали, что назрела необходимость экспертизы аварийных нефтяных и газовых скважин (а также и тех, которым требуется частый ремонт) на предмет влияния на них динамики склонов и склоновых процессов на разных глубинах, обусловленных ротационным фактором. При этом требуется анализ всего массива имеющихся фактических данных как промысловых, геологических, так и по изменениям скорости вращения Земли. Такая экспертиза будет способствовать созданию в перспективе уникальных цифровых моделей динамики рельефа склонов с показом наиболее уязвимых их частей к растяжению в определенном простирании и проявлениям агрессивных процессов усиления сноса вещества земной поверхности.