Летняя жара 2003 года спровоцировала камнепад, потрясший как исследователей, так и широкую общественность: от хребта Хорнли откололось 1500 кубометров горной породы - объем, примерно эквивалентный двум домам. Разлом обнажил голый лед на поверхности крутого уступа. Вскоре специалисты поняли, что рекордные температуры прогрели породу до такой глубины, что лед, содержащийся в ее порах и трещинах, растаял. Это фактически вызвало внезапное уменьшение связи, скрепляющей горную массу.
Непредсказуемый камнепад послужил стимулом для создания PermaSense, уникального проектного консорциума, объединяющего экспертов из различных инженерных и экологических дисциплин из ETH Zurich и ряда других учреждений, включая университеты Базеля и Цюриха.
Проект был запущен в 2006 году с первоначальной целью проведения измерений и наблюдений, которые ранее были невозможны. Используя самые современные технологии, исследователи стремились получить на месте измерения вечной мерзлоты с крутыми склонами беспрецедентного качества и количества..
Мало того, что они добились успеха, исследователи успешно достигли своей цели, как они сообщают в статье, только что опубликованной в журнале Earth System Science Data. В исследовании описывается уникальный 10-летний рекорд данных высокого разрешения, полученных учеными на хребте Хёрнли в Маттерхорне, на высоте 3500 метров над уровнем моря. В общей сложности 17 различных типов датчиков, расположенных в 29 различных местах в зоне камнепада 2003 года и вокруг нее, предоставили 115 миллионов отдельных точек данных.
«Этот набор данных представляет собой самый длинный, самый плотный и самый разнообразный набор данных в истории исследований альпийской вечной мерзлоты во всем мире», - говорит Ян Бойтель, старший научный сотрудник Лаборатории компьютерной инженерии и сетей ETH Zurich, с понятным смыслом. гордости: он является движущей силой инициативы.
Используя передовые беспроводные датчики, исследователям удалось сделать большие объемы высококачественных данных доступными практически в режиме реального времени, а также тщательно отслеживать и контролировать текущие эксперименты. «Комбинированный анализ долгосрочного мониторинга, полученного с помощью различных типов инструментов, приводит к лучшему пониманию процессов, которые могут привести к дестабилизации крутых пород», - говорит Сэмюэл Вебер, соруководитель проекта, а ныне научный сотрудник Технического университета Мюнхена..
Сеть датчиков также включает в себя автоматическую камеру высокого разрешения, которая каждые две минуты делает снимки места перелома. «Трещинометры» измеряют расширение трещин и смещение валунов. Температуры измеряются на различной глубине в скале, а также на поверхности. Инклинометры и датчики GPS постоянно измеряют, насколько более крупные участки горных пород, а также весь горный хребет деформируются и постепенно наклоняются в сторону долины. В последние годы исследователи добавили оборудование для измерения акустической эмиссии и микросейсмических данных.
Данные передаются через WLAN с хребта Хернли на близлежащую вершинную станцию канатной дороги Кляйн Маттерхорн, откуда они передаются в режиме реального времени через Интернет в центр обработки данных ETH Zurich.
Здесь они непрерывно фиксируются, анализируются и оцениваются - и так было в течение последних 10 лет, круглосуточно, в любую погоду.
За последние три года нашего проекта включение более сложных сейсмических данных было особенно полезным, помогая нам количественно оценить то, что мы стремились исследовать с самого начала: дестабилизацию, ведущую к камнепаду. Это помогло мы определяем закономерности в сигналах с горы, которые позволяют нам фиксировать такие события», - говорит Бейтель.
Измерение резонансных частот скалы
Использование систем сейсмического зондирования позволило обнаружить множество различных сигналов, таких как образование трещин, изначально невидимых и скрытых в скале, которые предыдущие датчики не могли зафиксировать.«Сейсмические датчики собирают гораздо больше данных и предлагают нам беспрецедентную плотность информации и возможности анализа», - говорит инженер-электрик. Но у этих датчиков есть несколько недостатков: им нужны кабели, большая мощность и глубокие отверстия, которые сначала нужно просверлить. И они также записывают сигналы, которые не имеют ничего общего с горой, например, шаги альпинистов на пути к вершине Маттерхорна.
Исследователи сначала должны были удалить весь окружающий шум из этих данных, используя машинное обучение и интеллектуальные алгоритмы, которые были запрограммированы непосредственно в беспроводные датчики докторантами ETH, которые в настоящее время участвуют в проекте. Чтобы проверить достоверность данных, они также снабдили алгоритмы данными, записанными в хижине Хорнли, где ночуют альпинисты, поднимающиеся на Маттерхорн. Количество людей, оставшихся на ночь и совершающих восхождение, служит показателем того, что люди, взбирающиеся на гору, создают помехи. Анализ отфильтрованных сейсмических данных дает Beutel интересную картину: «Резонансные частоты, возникающие в скалах, значительно год."
Это явление связано с процессами замерзания и оттаивания на горе. Многие микротрещины и трещины заполнены льдом и осадком, и зимой эта смесь промерзает до твердости. Когда он оттаивает летом, сцепление в трещинах меняется. Свободно вибрирующая горная масса увеличивается, в результате чего уменьшается резонансная частота. Зимой происходит обратное: увеличивается резонансная частота массива горных пород.
"Это тот же принцип, что и на гитаре - тон зависит от того, где вы держите струны, создавая вибрирующие элементы разной длины", - объясняет Бейтель.
«Очень резкие изменения в характере этих резонансных частот указывают на то, что стабильность части скалы изменилась», - говорит Бейтель. Если частоты падают, это может означать, что существующие трещины углубились или открылись, что, возможно, указывает на формирующийся камнепад значительной массы.
«Используя сейсмические и акустические данные в сочетании с измерениями ширины трещин и фотографиями места проведения исследований, мы можем довольно точно определить, как меняется вечная мерзлота, и сделать прогнозы относительно начала развития проблем», - говорит Бейтель.«Я считаю это одним из лучших достижений проекта PermaSense на сегодняшний день».
Он говорит, что все это благодаря его партнеру по проекту, Сэмюэлю Веберу, который провел последние три года, написав новаторскую диссертацию на эту тему в Цюрихском университете. Еще одним ключевым фактором стало участие профессора ETH Доната Фаха и Швейцарской сейсмологической службы, которые предоставили сейсмологическую экспертизу.
Внезапное открытие трещин в скалах
Измерительный проект на Маттерхорне еще не завершен, но продолжается. Пока он все еще работает, Beutel стремится передать ноу-хау, полученное от «Хору», местного названия культовой горы, в другие проекты и объекты. Приобретенные технические и геологические знания теперь можно применять для прогнозирования стихийных бедствий.