Крупные проекты, выполненные в более ранние годы
2009-2011 гг. Интеграционный проект между УрО РАН и ДВО РАН «Разработка основ комплексного геофизического мониторинга для изучения геодинамических процессов с целью прогноза сильных тектонических землетрясений на примере Сахалинской сейсмоактивной зоны».
2006-2008 гг. Интеграционный проект между УрО РАН и ДВО РАН «Исследование процесса подготовки тектонического землетрясения на Курильских островах на основе комплексного пространственно-временного мониторинга».
2002-2005 гг. Проект МНТЦ №187.2 «Комплексный геофизический мониторинг Северного Тянь-Шаня».
Программа «Природная среда России: Адаптационные процессы в условиях изменяющегося климата и развития атомной энергетики»
Проект: «Разработка методов комплексного геофизического изучения геологической среды с целью прогнозирования опасных природных и техногенных явлений и снижения негативных последствий их проявлений»
Цель: Расширение GNSS мониторинга на территорию Южного Урала и отдельных пунктов Северного и полярного Урала. Совмещение GNSS наблюдений с мониторингом гравитационного и магнитного поля. На основе полученных данных радонового и температурного мониторинга на базе геотермических стационаров в Екатеринбурге и Курильских островах, оценить основные характеристики радонового и температурного «тектонических» сигналов, обусловленных подготовкой и реализацией тектонического события. Проведение лабораторных экспериментов для изучения эксхаляции радона и генерации акустического излучения при разрушении горных пород и при их нагревании. На основе построения системы уравнений для описания миграции радона в разрушающейся геосреде разработать алгоритмы количественной интерпретации данных радонового мониторинга с целью изучения временных изменений ее структурно-петрофизических характеристик.
Полученные результаты
Расширена наблюдательна сеть реперов спутникового позиционирования на Южном Урале до широты г.Магнитогорска и на Северном Урале до широты г. Ивделя, что позволило определить скорости относительного перемещения дополнительно выделенных тектонических блоков. Установленные закономерности перемещений блоков позволят определить тектоническую активность структур Урала.
Получены годовые ряды радоновых и температурных измерений на геотермических стационарах на островах Кунашир и Шикотан. В вариациях объемной активности радона, регистрируемым на станции Шикотан, прослеживается связь с сейсмическими событиями магнитудой менее 4. События с такой магнитудой регистрируются только одноименной сейсмостанцией.
Проведены лабораторные исследования на образцах горных пород по изучению эксхаляции радона при их нагревании и остывании. Экспериментально показано увеличение эманирующей способности горных пород с повышением температуры и возвращение ее (эманирующей способности) при остывании образцов на прежний уровень.
Изготовлена установка для проведения экспериментальных исследований изменения эманирующей способности образцов горных пород при их одноосном сжатии. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование процессов выделения радона при разрушении горных пород.
Предложена физическая модель процессов выделения радона и генерации акустического излучения при разрушении образцов горных пород, а также разработаны алгоритмы количественной интерпретации, полученного материала с целью изучения изменений их структурно-петрофизических характеристик.
На основе количественной физической модели для описания миграции радона в разрушающейся геосреде, разработана методика и предложен алгоритм количественной интерпретации экспериментальных данных по нескольким последовательным во времени (многоэкстремальным) высокоамплитудным аномалиям концентрации радона с целью изучения изменений открытой пористости и удельной внутренней поверхности (УВП) в процессе разрушения.
(Номер государственной регистрации 01201263784). 2012г.
Цель: Исследования тепловой эволюции, геодинамических процессов во внутренних оболочках Земли и состояния литосферы Урала. Теоретические и экспериментальные исследования факторов формирования климатического сигнала в современном геотемпературном поле. Реконструкция температурной истории земной поверхности по данным скважинной геотермии. Исследование деформационных процессов в земной коре, связанных с подготовкой и реализацией тектонических землетрясений, по данным геотермического и радонового мониторинга. Оценка роли триггерных механизмов в реализации землетрясений. Экспериментальные и теоретические исследования процессов эксхаляции радиогенных газов. Изучение пространственно-временных характеристик распределения радионуклидов, низкочастотного электромагнитного излучения, объемной активности и плотности потока радона на Урале в естественных и техногенно-нарушенных геологических условиях. Изучение теплофизических свойств и электрических параметров горных пород и руд при высоких температурах. Совершенствование аппаратурно-методической базы петрофизических измерений.
Полученные результаты
Впервые получены численные результаты решения задачи о возможном влиянии свободной конвекции в локальном включении в пористой среде на распределение температуры и плотности теплового потока. (в 3D-модели среды). Выполнено численное моделирование формирующихся областей ядра и мантии с учетом фракционирования вещества, адиабатического сжатия и влияния низкой прозрачности атмосферы на стадии аккумуляции планеты. Получены оценки состава первичной земной коры
По 83 термограммам, записанным в скважинах Урала и Восточной Европы, реконструированы изменения температуры земной поверхности в 17-19 вв. Выявлена значительная пространственно-временная неоднородность температурных изменений за исследуемый период. Кластерный анализ реконструированных кривых выявил двухэтапный характер современного потепления: ранний старт потепления (конец 17 – начало 18 вв) отмечен в северной части Восточной Европы и в северном Предуралье. В центральной части Восточной Европы, на Южном Урале и в Зауралье потепление началось лишь в конце 19 в. Проведен палеоклиматический анализ 44 термограмм Среднего и Южного Урала. Оценены разрешающая способность алгоритма и априори задаваемые параметры инверсии.Проанализированы данные термометрии Онежской параметрической скважины. Реконструирована температурная история земной поверхности в районе скважины за последние 30 тыс. лет
Изготовлен скважинный вариант кварцевого термометра с чувствительностью на уровне 0,0010С., позволяющий проводить измерения в агрессивных средах до глубины 1000 метров. Выбраны места и подготовлены скважины для установки температурных станций на острове Итуруп. Выполнен температурный каротаж подготовленных скважин. Определены информативные горизонты для установки датчиков. Получены годовые температурные и радоновые ряды наблюдений на станции на острове Кунашир и радоновый ряд на Шикотане. Впервые зарегистрированы в температурных вариациях по скважине KUN-1 квазипериодические изменения температуры, изменяющие свою частоту и амплитуду в моменты тектонических землетрясений и вулканических извержений. Выполнен сравнительный анализ связи сейсмических событий с изменением скорости вращения Земли. Установлено увеличение количества событий в моменты смены знака ускорения вращения Земли
Важнейшие достижения
Высокотемпературная электропроводность магнетитовых руд как возможный индикатор их минерального состава и генетических особенностей месторождения. Автор: Бахтерев В.В. (2012г.)
Получены температурные кривые электрического сопротивления в интервале 20-8000С образцов магнетитовых руд Гороблагодатского месторождения. По характеру температурных кривых и величине электрического сопротивления выделены три группы руд, коррелирующие с содержанием сульфидов. По установленным параметрам высокотемпературной электропроводности выявлена зависимость функциональных соотношений между электрическими параметрами и структурными, минеральными и генетическими особенностями руд. Установлено пространственная зональность изменения электрических параметров руд от расстояния до интрузивного массива. Внутри группы образцов магнетитовых руд с включениями пирротина прослежена парагенетическая зависимость. Полученная эмпирическая зависимость lgRo=f(Eo) дает дополнительную информацию при изучении типоморфных особенностей магнетитового оруденения и позволяет судить о пространственном положении относительно сиенитового массива исследуемых образцов.
Проект: «Геодинамические исследования на Урале методами GPS-наблюдений и радонового мониторинга»
(номер государственной регистрации 0120.0 603749) 2009-2011 гг.
Цель: Определение пространственных и временных закономерностей распределения объемной концентрации почвенного радона, температуры по стволам скважин при изменениях геодинамической обстановки, а также определении векторов перемещения исследуемых блоков земной коры. Исследование современных геодинамических процессов в пределах Среднего Урала путем GPS-мониторинга отдельных тектонических блоков. Исследование особенностей поведения вариаций объемной активности радона и температурного мониторинга в скважинах при изменении геодинамических условий.(Урал, о.Кунашир, о.Сахалин). Экспериментальные исследования распределения объемной активности и плотности потока радона в Екатеринбурге и его окрестностях, детализация выявленных проницаемых разломных структур.
Полученные результаты:
На Среднем и Южном Урале выбраны в пределах жестких блоков точки и оборудованы репера для проведения спутникового позиционирования. Проведены весенне-летнии и летне-осеннии циклы повторных GPS-наблюдений на установленных реперах по меридиональному профилю Североуральск-Сысерть. Подтверждено соответствие движения Уральской структуры в зоне охвата реперами общему движению Евразии. Предварительно установлена разница в скоростях и углах векторов перемещения реперов в разных геологических структурах Урала. Этот факт может свидетельствовать об относительном перемещении блоков внутри Уральской структуры.
Для проверки амплитуд вертикального перемещения за счет сезонных изменений температуры верхнего слоя почв выполнен летний цикл измерений Выполнен годичный цикл мониторинговых измерений температуры до глубины 4 метра. Полученные результаты по векторам движений совпадают в пределах ошибки с ранее полученными данными. Последнее обстоятельство свидетельствует о стабильности геодинамических процессов в геологических структурах, охваченными GPS-измерениями. На основе установленной разницы в скоростях и углах векторов перемещения реперов в разных геологических структурах Урала и несовпадения в 2 мм годовых скоростей горизонтальных перемещений станции Арти и станции Новосибирск сделан вывод о различие возможных вертикальных движениях блоков внутри Уральской структуры.
Разработан и апробирован способ измерения объемной активности почвенного радона в режиме вынужденной конвекции. Позволивший существенно увеличить эффективный объем исследуемых горных пород и значительно снизить влияние метеофакторов;
Экспериментально установлено, что при глубинах исследования почвенного радона более 70 сантиметров влияние изменений атмосферного давления на объемную активность почвенного радона меньше аппаратурной погрешности измерений.
Экспериментально установлен в природных условиях факт увеличения объемной активности почвенного радона при воздействии на среду упругих колебаний.
На экспериментальном полигоне исследовано влияние промерзания приповерхностного слоя грунтов на плотность потока и объемную активность почвенного радона. Создана математическая модель, описывающая перенос радона в грунтах в условиях их промерзания. Рассчитаны поправочные коэффициенты для интерпретации результатов измерений объемной активности и плотности потока радона, выполненных в зимнее время года.
Исследовано влияние свободной тепловой конвекции грунтового воздуха на плотность потока радона с поверхности почвы. Это явление изучено на лабораторном стенде в условиях, соответствующих суточным колебаниям температуры грунтов. Получены результаты численного моделирования с использованием новой математической модели, представляющей собой запись уравнений баланса импульса, энергии и массы для несжимаемого флюида в пористой среде, с соответствующими краевыми условиями. Даны оценки изменения диапазона площадных вариаций плотности потока радона при возникновении свободной тепловой конвекции почвенного воздуха.
Обустроены радоновые стационары на Урале, о.Сахалин и о.Кунашир, получены результаты непрерывного радонового мониторинга. Проведен годовой цикл измерений объемной активности радона и температуры в скважинах на полигонах в г.Екатеринбурге, шахте Евстюниха, острове Кунашир. Установлены новые радоновые станции на острове Шикотан и в г.Холмске (о.Сахалин). Полученные данные по радоновому и температурному мониторингу свидетельствуют о различном «дальнодействии» этих методов
По результатам мониторинговых радоновых наблюдений на полигоне острова Кунашир подтвержден прогностический критерий готовящегося землетрясения, ранее установленный для Северного Тянь-Шаня и для горных ударов в глубоких шахтах. Далекие тектонические события отмечаются на кривой радона после прохождения максимума его концентрации.
Совместная интерпретация результатов радонового и температурного мониторинга, учитывая их различный характер отклика на близкие и дальние от точки измерений сейсмических событий, открывает перспективу для продвижения в вопросе оценки времени возможного землетрясения для конкретного места.
Экспериментально показано, что различные водоносные горизонты в разрезе скважины различным образом реагируют на изменение геодинамической обстановки.
Разработана физическая модель подготовки тектонического землетрясения основанная на анализе изгибовых деформаций, присутствующих во всех основных типах перемещений литосферных плит.
Выполнены измерения сейсмоакустической эмиссии по стволу скважины в поселке Отрадный (о.Кунашир).
(Номер государственной регистрации 0120.0 603751) 2009-2011 гг.
Цель: Определение пространственных и временных закономерностей распределения теплового поля, количественная оценка вкладов различных факторов в формирование теплового поля на различных этапах тепловой эволюции Земли. Экспериментальные и теоретические исследования факторов формирования современного теплового поля Урала и Дальнего Востока. Палеоклиматическая интерпретация геотермических данных. Теоретические исследования эволюции области перехода ядро-мантия и условий захвата магнитного поля ядром при формировании Земли. Экспериментальные исследования закономерностей температурных изменений электрических параметров магнетита (магнетитовой руды) с учетом его генезиса. Экспериментальные определения плотности теплового потока по скважинам в основных структурах Урала
Полученные результаты:
Получены новые данные о вертикальном распределении температур горных пород по скважинам Урала и Дальнего Востока, оценены тепловые свойства пород и плотности теплового потока.
Усовершенствована аппаратура и методика измерений тепловых свойств горных пород в условиях, моделирующих одновременное воздействие горного давления и температуры. Проведены исследования тепловых свойств пород Урала и Дальнего Востока.
Обустроены геотермические стационары на Урале (п. Арти), о.Сахалин и о.Кунашир, получены результаты непрерывного температурного мониторинга (периодичность измерений – от нескольких минут до 0,5 часа).
Проведен анализ влияния изменений тектонического режима в районе Южных Курил на геотемпературное поле. Выделены пред- и косейсмические вариации температуры с амплитудой от нескольких сотых до нескольких десятых градуса. Наиболее заметна реакция температурного поля на мелкофокусные (до 30 км) землетрясения с магнитудой М>5, происшедшие к юго-востоку от Южно-Курильска. В течение периода от нескольких суток до десятков суток перед землетрясением наблюдается снижение температуры Моменту землетрясения соответствует локальный температурный минимум, отмечающий смену нисходящего течения подземных вод восходящим. В течение нескольких часов после землетрясения отмечаются высокочастотные температурные вариации. Выделены приливные вариации температур и оценена деформационная чувствительность температурного поля (по совокупности волн M2, S2, O1, K2 она составляет 2·10-4К/10-9)
По данным исследований, проведенных на геотермическом стационаре «Екатеринбург», разработана модель теплопереноса в снежном покрове и верхнем активном слое почвы, в основе которой – изменения эффективных параметров теплопереноса – амплитудных и фазовых волновых чисел, зависящих от распределения теплофизических свойств среды, от особенностей проявления некондуктивных факторов, а также – от частоты температурных колебаний. Отклонение отношения амплитудного и фазового волновых чисел от единицы является мерой интенсивности проявления некондуктивных факторов теплопереноса и влияния тепловых неоднородностей. Показано, что основным теплофизическим параметром, определяющим распространение гармонических колебаний в глубину, является тепловая активность сред.
Показана принципиальная возможность оценки тепловой активности почв и горных пород в лабораторных условиях и in situ по характеру искажения плоских температурных волн в эталонной пластине, контактирующей с исследуемой средой.
Разработана методика оценки температуропроводности верхнего слоя пород in situ по характеру затухания амплитуды и сдвигу фазы суточных и годовых температурных волн.
Получено замкнутое решение прямой задачи стационарной теплопроводности; в рамках обратной задачи логарифмического потенциала реализован алгоритм подбора аномалий теплового потока.
Проведены лабораторные и полевые (на базе стационара «Кунашир» исследования условий возникновения свободной конвекции, спектрального состава обусловленных конвекцией температурных вариаций, методов подавления конвекции.
Получены реконструкции температурных историй земной поверхности по термограммам скважин Сахалина, Кунашира, Итурупа (ИМГГ ДВО РАН, Южно-Сахалинск). Разработан метод совместного анализа геотермических и косвенных (напр., древесно-кольцевых) палеоклиматических реконструкций (совместно с Институтом географии РАН, Москва). Апробирована методика введения палеоклиматических поправок в измеренный тепловой поток (на примере Урала, совместно с Институтом геологии УНЦ РАН, Уфа
Впервые построена модель пространственного распределения амплитуд плейстоцен-голоценового потепления в Северной Евразии по геотермическим данным, указывающая на решающую роль теплых течений Северной Атлантики в установлении климатического режима голоцена; разработана методика и получена обобщенная (по геотермическим и древесно-кольцевым данным) реконструкция температурной истории на о. Кунашир за последние 400 лет.
Получены результаты численного моделирования распределения начальной температуры Земли на ранней стадии аккумуляции зародыша планеты с учетом неоднородного (в зависимости от достигнутой массы) нагрева аккумулируемых тел и модифицированной функции распределения аккумулируемых частиц. Показано существенное увеличение начальной температуры зародыша по сравнению с имевшимися ранее оценками.
Изучена зависимость частоты МАК-волн от амплитуды азимутальной составляющей скорости течения проводящего вещества во внешнем ядре Земли. Проведены численные исследования влияния сжимаемости среды («неупругое приближение») на периоды вариаций полоидальной составляющей геомагнитного поля;
Методами численного моделирования проведено исследование конвекции вязкой, электропроводящей, сжимаемой жидкости во вращающемся цилиндре. Наличие магнитного поля приводит к увеличению амплитуды колебаний и времени при переходе от начального состояния к стационарному. Наличие вертикальной неоднородности плотности в рассматриваемой модели обуславливает значительное увеличение времени установления стационарного режима. Продемонстрирована необходимость учёта влияния сжимаемости среды при исследовании конвекции и динамики магнитного поля во внешнем ядре Земли, которые могут приводить к качественно новым эффектам при анализе МГД Земли по сравнению с несжимаемой средой.
Проведены температурные измерения в скважинах Сафьяновского месторождения на Среднем Урале, Озерного и Подольского на Южном Урале. Полученные результаты по распределению температур и тепловых потоков использованы для уточнения карты тепловых потоков для Урала и подготовки данных для включения их «Мерзлотно-геотермический атлас Сибири и Дальнего Восток».
Важнейшие достижения
Отражение процессов подготовки и реализации землетрясений в изменениях скважинных температур на о. Кунашир. Авторы: Д.Ю.Демежко, В.И.Уткин, А.К.Юрков (2011 г.)
Установлена реакция температурного поля в скважине на о.Кунашир на процессы деформации земной коры при подготовке и реализации сейсмического события (включая катастрофическое землетрясение Тохоку 11.03.2011, М=9,0). Температурные вариации в диапазоне от нескольких минут до нескольких месяцев на глубинах 40-280 м определяются: а) колебаниями столба жидкости в скважине под воздействием приливных сил; б) свободной тепловой конвекцией жидкости; в) деформациями земной коры, связанными с подготовкой и реализацией тектонических землетрясений. «Тектонический» температурный сигнал наиболее заметен на глубине 240 м, в зоне проявления гидрогеологической аномалии и отражает процессы водообмена между деформируемыми пластами. Отмечена устойчивая реакция температурного поля на подготовку и реализацию землетрясений с магнитудой M≥2,5lgR, где R – эпицентральное расстояние в километрах. Она проявляется в закономерном снижении температуры перед землетрясением и резким ростом – после него. Деформационная чувствительность температурных изменений составляет 2·10-4К/нанострейн. Катастрофическому землетрясению Тохоку (R=700 км, M/lgR=3,2) предшествовало снижение температуры на 0,1 К в течение 5,5 месяцев. В течение суток после землетрясения температура поднялась на 0,2 К.
1. По программам Президиума РАН
Программа: «Оценка и пути снижения негативных последствий экстремальных природных явлений и техногенных катастроф, включая проблемы ускоренного развития атомной энергетики»
Проект 09-II-5-1017 «Изучение характера развития геодинамических процессов в верхней части земной коры Урала в условиях изменяющегося климата и анализ причин, приводящих к катастрофическим событиям»
Научный руководитель: член-корреспондент РАН В.И.Уткин
Задание: Продолжение радонового и GPS-мониторинга по выбранной сети наблюдений. Анализ и экспериментальная проверка природных факторов влияющих на измеряемую плотность радона. Разработка и изготовление скважинного варианта кварцевого термометра. Анализ изменения температуры земной поверхности за последние 1000 лет. Разработка алгоритмов решения обратной задачи по определению пространственно-временных характеристик очага разрушения.
Основные результаты: Поставленные в проекте задачи были выполнены полностью. Одновременно изучался вопрос о возможности использования полученных результатов в практике прогноза подготовки тектонического события (землетрясения). На выбранных ранее точках измерения по меридиональному профилю Кытлым - В.Уфалей выполнены повторные измерения в плане продолжения GPS- мониторинга. Проведено три цикла измерений в весенний и осенний периоды, чтобы исключить погрешность, связанную с промерзанием грунта. Предварительная обработка наблюденных данных за время выполнения проекта, позволяет сделать заключение об имеющемся в настоящее время сложном движении отдельных блоков Среднего и Северного Урала. При продолжающемся общем движении на восток-северо-восток со скоростью около 20 мм/год, отдельные блоки имеют относительное движение практически перпендикулярно генеральному направлению движения со скоростью 3-4 мм в год.
Детально исследованы вопросы "триггирования" сейсмических событий различными факторами. Высказано предположение о том, что наблюдаемое множество так называемых предвестников землетрясения представляют собой "триггируюшие" функции, а реальным предвестником можно считать только изменение напряженного состояния горных пород, вызывающее землетрясение в итоге сброса накопленных напряжений. Вариации напряженного состояния горных пород предлагается фиксировать по изменению объемной активности почвенного радона. Предложен алгоритм проведения процесса регистрации подготовки тектонического события. В связи с вышесказанным активно продолжались теоретические и экспериментальные исследование процесса переноса радона в пористо-трещиноватой среде при различных условиях. Решена задача о выходе радона в условиях промерзания грунта, что имеет особое значение для Урала. Оценено теоретически и экспериментально влияние тепловой конвекции на выход радона и показано, что наличие конвекции может вызвать трехкратное повышение объемного выхода радона. Данные исследования уточнили возможности стандартной методики измерения объемной активности радона. Как показала практика, полученные данные важны не только для изучения процесса подготовки тектонического события, но и для оценки радоноопасности территорий, в том числе при подготовке площадок под строительство. Проведены многочисленные измерения потока радона в г.Екатеринбурге и прилегающих районах. Показано, что районы Среднего Урала (в том числе почвы г.Екатеринбурга) характеризуются повышенной трещиноватостью, как следствие проявления разломной тектоники различного уровня. Большое число полученных данных были приняты как нормативные при строительстве в г .Екатеринбурге и Свердловской области.
В рамках, заявленных на отчетный год целей проекта, был разработан алгоритм решения обратной задачи для восстановления временных изменений структурно-петрофизических характеристик разрушающихся горных пород и пространственно-временных параметров очага разрушения по временным вариациям концентрации радона, в том числе по его высокоамплитудным аномалиям.
Установлено, что временные вариации концентрации радона, которые нередко предшествуют наступлению катастрофических событий, обусловлены тектонофизическими явлениями в геосреде. В такой ситуации появляется возможность использования радоновых измерений для восстановления временных изменений структурно-петрофизических характеристик трещиновато-пористой среды в процессе разрушения. При этом наиболее информативными с этой точки зрения являются долговременные высокоамплитудные аномалии концентрации радона, как правило, непосредственно связанные с разрушением горных пород. Их количественная интерпретация позволяет детальнее изучить характер протекания деструктивных процессов в геосреде, а также исследовать, причины и условия, влияющие на осуществление того или иного режима их развития. Это, в свою очередь, дает возможность прогнозировать сценарии протекания процессов разрушения, определять условия реализации каждого из них, а также вплотную подойти к предсказанию катастрофических событий типа горных ударов и землетрясений . В целях расширения комплексности исследований изготовлен и опробован высокоточный кварцевый термометр, который показал высокую стабильность во времени при чувствительности около 0,005 оС. На основании геотермических данных по скважинам глубинной более 300м получена реконструкция изменения температуры земной поверхности на Урале в 17-19 веках. Определено, что основной тенденцией этого периода было потепление, начавшееся с середины 18 века. Скорость изменения температуры возрастала в северо-западном направлении. Однако, часть термограмм, полученных в Зауралье, выявило тенденцию к похолоданию за тот же период. Полученные результаты отражают неравномерность процесса потепления на Урале в доиндустриальный период.
2. По конкурсным программам Уральского отделения РАН
Программа фундаментальных научных исследований УрО, выполняемых совместно с СО И ДВО РАН
Проект № 09-С-5-1005 «Изучение вариаций геотемпературного поля по данным непрерывного высокоточного температурного мониторинга в скважинах и донных осадках» (совместно с ИНГГ СО РАН)
Научный руководитель: в.н.с., д.г.-м.н. Д.Ю.Демежко (от ИНГГ СО РАН – г.н.с., д.г.-м.н. А.Д.Дучков)
Цели очередного этапа (2010г) проекта. Продолжение исследований факторов формирования нестационарного температурного поля с помощью непрерывного температурного мониторинга на геотермических стационарах (о.Кунашир, о. Шикотан, Екатеринбург).
Основные результаты: Получены данные температурного мониторинга в наблюдательных скважинах на о-вах Кунашир, Шикотан, в г.Екатеринбурге, на Семипалатинском ядерном полигоне и в ледяном покрове оз. Байкал. Отмечены основные причины, вызывающие температурные вариации, описаны механизмы теплопереноса.
Программа фундаментальных научных исследований УрО, выполняемых совместно с ДВО РАН
Проект: «Разработка основ комплексного геофизического мониторинга для изучения геодинамических процессов с целью прогноза сильных землетрясений на примере сахалинской сейсмоактивной зоны»
Научный руководитель: член-корреспондент РАН В.И.Уткин
Задание на 2010г. Продолжение мониторинговых наблюдений на станциях в г.Холмске. Установка новых температурных и радоновых станций в поселке Остромысовка и в г.Углегорске. Анализ отклика полученных температурных и радоновых рядов на произошедшие тектонические события. Проведение наблюдений геофизических полей на Южно-Луговском газовом месторождении.
Основные результаты: Поставленные задачи выполнены полностью за исключением установки температурной станции в поселке Остромысовка. Установка будет выполнена после ремонта станции.
До августа 2010 года проводились мониторинговые измерения объемной активности радона (ОАР) на станции в г.Холмске. Одновременно продолжались радоновые и температурные наблюдения на станциях в Южно-Курильске и Мало-Курильске. Установлена и работает радоновая станция в г.Углегорске. Подготовлена скважина для установки температурной станции в поселке Остромысовка. Выполнен анализ рядов наблюдений за температурой и ОАР в сравнении с произошедшими тектоническими землетрясениями. Проведены измерения низкочастотного электромагнитного поля на Южно-Луговском газовом месторождении и на прилегающей территории.
В рядах измерений объемной активности радона, полученных в г.Холмске, не отмечено закономерных изменений «предвестникового характера». В кривых изменения ОАР отчетливо прослеживается гармоника с периодом около 24 часов, вызываемая лунно-солнечными приливами. Отсутствие явно видимой тектонической составляющей объясняется снижением сейсмической активности в районе г.Холмска после сильного землетрясения в г.Невельске. В рядах наблюдений, полученных на станциях в Южно-Курильске и Мало-Курильске, где также отмечалась слабая сейсмическая активность в течении 2010 года, отмечены аномалии предвестникового характера только перед событиями 23 и 26 сентября 2010 года. Выполненный анализ температурных наблюдений за 2009-2010 годы на станции в Южно-Курильске показал наличие закономерных изменений температуры перед несколькими землетрясениями, с небольшой глубиной очага и недалекими отточки наблюдения. Изменения начинались за 3-9 дней до землетрясений, т.е. носят предвестниковый характер. С установленной радоновой станцией в г. Холмске организовано дистанционное управление, и снятие данных в режиме реального времени через систсм\ Интернет. Выполненные измерения низкочастотного электромагнитного поля на Южно-Луговском газовом месторождении показали наличие особенностей в частотном спектре по сравнению с прилегающей территорией.
Показана принципиальная возможность использования мониторинговых измерений температуры в стационарных точках по стволу скважин для индикации движения жидкости. Это обстоятельство расширяет возможности гидрогеодинамического метода изучения изменений геодинамической обстановки по сравнению с его классическим проведением по регистрации изменения уровня столба жидкости в скважине. Получены уверенные эффекты изменения температуры (изменение скорости движения жидкости) перед определенными сейсмическими событиями. В то время как синхронно проводимые в этой же скважине измерения уровня столба жидкости не отметили каких-либо изменений. Наличие закономерных изменений объемной активности радона предвестникового характера перед землетрясением 23 сентября 2010 года на острове Хоккайдо и отсутствие температурных изменений перед ним свидетельствует о локальности проявления гидрогеодинамических предвестников, что позволяет, при совместной интерпретации с данными радонового мониторинга, подойти к решению вопроса об оценке удаленности очага землетрясения от точки наблюдений. Организация дистанционного управления из Екатеринбурга радоновой станцией, расположенной в городе Углегорске (остров Сахалин), дает возможность не только получать результаты в режиме реального времени, но и устанавливать наблюдательные станции в труднодоступных местах с эпизодическими посещениями наблюдателей. Полученные первые результаты по измерения низкочастотного электромагнитного поля на газовом месторождении показали их более высокую чувствительность к приливным воздействиям в пределах контура залежи, чем за ее пределами. Это обстоятельство может быть использовано при объяснении эффекта изменений гравитационного и температурного полей при изменении тектонической обстановки, обнаруженного сотрудниками Института морской геологии и геофизики ДВО РАН.
3. По грантам РФФИ и других научных фондов
1. Проект РФФИ 10-05-00067 «Теоретические и экспериментальные исследования короткопериодных вариаций подземных температур»
Научный руководитель: в.н.с., д.г.-м.н. Д.Ю.Демежко
Цели очередного этапа (2010 г): библиографические исследования по теме проекта, оборудовать геотермические полигон на Урале (г. Екатеринбург), провести геотермические исследования на о. Кунашир, провести предварительный анализ полученных экспериментальных данных.
Основные результаты: Короткопериодные (от нескольких минут до года) вариации подземных температур, зарегистрированные в почве, снежном покрове и скважинах на о-вах Кунашир, Шикотан, в Екатеринбурге связаны с: а) проникновением в почву суточных и годовых температурных волн, б) приливными колебаниями столба жидкости в скважине; в) свободной тепловой конвекцией внутрискважинной жидкости; г) непериодическими изменениями напряженно-деформированного состояния водонасыщенной среды вокруг скважины. Впервые для Курильских островов зарегистрированы пред- и косейсмические изменения температуры в скважинах.
Разработана модель теплопереноса в снежном покрове и верхнем активном слое почвы, оперирующая эффективными параметрами теплопереноса – амплитудными и фазовыми волновыми числами.
2. Проект РФФИ № 09-05-00983 «Исследование эволюции температуры и давления в формирующихся ядре и мантии на этапе аккумуляции Земли»
Научный руководитель: г.н.с., д.ф.-м.н. Хачай Ю.В.
Цели очередного этапа (2010 г): разработь основы петрофизической динамической модели растущих ядра и мантии в ходе двухэтапного процесса дифференциации. Опираясь на созданную модель фракционирования вещества на стадии аккумуляции Земли провести численное моделирование эволюции РТ- условий в формирующемся ядре и верхней мантии в двумерной модели и получены варианты динамически изменяющегося распределения температуры плавления.
Основные результаты: Для определяемых в ходе решения задачи об аккумуляции планеты для различных вариантов распределения плотности и состава растущей Земли на основе численного решения соответствующей системы уравнений получены возможные распределения давления и температуры в формирующейся мантии. На основе известных зависимостей вязкости вещества от РТ-условий получены модели динамически изменяющейся вязкости в мантии на стадии аккумуляции. Предложена петрофизическая динамическая модель формирующейся мантии Земли
3. Проект РФФИ – 09-05-00409 «Исследование современных геодинамических процессов Урала на основе данных спутникового позиционирования (современная геодинамика Урала по данным GPS)»
Научный руководитель: член-корреспондент РАН В.И.Уткин
Задание на 2010г.: продолжить весенне-осенний цикл измерений координат на существующих реперах. Выбрать точки на основе полученных ранее результатов для установки дополнительных реперов. Провести сравнительный анализ полученных результатов по скоростям движения реперов с геологическим строением исследуемой территории.
Основные результаты. Проведен очередной весенне-осенний цикл измерений координат установленных реперов по субмеридиональному профилю. Выбраны новые точки для установки дополнительных реперов в пределах геологических блоков, отличающихся по скоростям движения от средних для Уральской структуры (г.Белая, г.Ирбит). Проведен сопоставительный анализ векторов движения реперов и геологического строения исследуемой территории. Показана особая роль Уфимского выступа Русской платформы в формирование векторов движения геологических блоков Среднего Урала.
4. По государственным контрактам
1. Государственный контракт с Министерством образования РФ №П1271 от 27 августа 2009 (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.3.1 Проведение научных исследований молодыми учеными - кандидатами наук).
В 2009 году выполнены работы II этапа по теме: «Исследование закономерностей переноса радона в почвенном воздухе для повышения точности оценки потенциальной радоноопасности территории».
Руководитель темы: Козлова И. А.
Результаты выполненных поисковых научно-исследовательских работ: В результате проведенных исследований на II этапе, дана оценка влияния промерзания поверхностного слоя грунтов на значения объемной активности и плотности потока с поверхности почвы. По экспериментальным данным рассчитан коэффициент диффузии радона в слое мерзлых грунтов. Его значение составило м2/с, что приблизительно в 10 раз меньше значения, найденного в период измерений, предшествующий промерзанию. Уменьшение коэффициента диффузии в мерзлом поверхностном слое грунтов приводит к снижению плотности потока радона с поверхности почвы и увеличению объемной активности радона на глубине 0.7 м. Сезонные вариации этих величин необходимо учитывать при интерпретации результатов измерений в геофизических и геоэкологических исследованиях. Кратности изменения характеристик поля радона можно использовать в качестве поправок для результатов измерений, проведенных в период промерзания верхнего слоя грунтов. Средние кратности увеличения объемной активности и уменьшения плотности потока радона равны Kc=1.72 и Kj=1.80, соответственно. Эти значения можно использовать для приблизительных оценок, если глубина промерзания и диффузионные свойства грунтов не известны.
2. Государственный контракт с Министерством образования РФ №П1675 от 21 сентября 2009 (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами).
В 2010 году выполнены работы II этапа по теме: «Исследование процессов тепломассообмена с помощью высокоточного температурного мониторинга геологической среды».
Руководитель темы: Климшин А. В.
Результаты выполненных поисковых научно-исследовательских работ: На II этапе исследуется процесс переноса радона в пористом грунте в условиях промерзания его приповерхностного слоя. Такое исследование проводится с помощью математического моделирования с привлечением экспериментального материала. В разделе решается нестационарное уравнение диффузионного переноса эманации с соответствующими краевыми условиями, причем коэффициент диффузии есть функция от координаты и времени. Коэффициент диффузии задается функцией Хевисайда с аргументом, который имеет смысл глубины промерзания грунта, также в аппроксимацию входят коэффициенты диффузии радона в грунтах до и после их промерзания. Изначально эти параметры не были известны.Поэтому с помощью временных рядов радоновых и температурных полей была решена обратная задача, суть которой сводилась к оценке этих параметров. Задачи такого класса имеют очень важное практическое значение в геофизике и в других науках.