Направление науки: 1.5. Науки о Земле
Направление фундаментальных и поисковых исследований 1.5.1. «Геофизика», раздел фундаментальных и поисковых исследований 1.5.1.1. «Геофизические методы изучения строения, вещественного состава земных недр и глубинных процессов; взаимодействие геосфер» Программы фундаментальных и поисковых научных исследований на 2021–2030 годы.
Тема Программы ФНИ
Сведения о результатах по направлениям исследований в соответствии с Программы фундаментальных и поисковых научных исследований на 2021–2030 годы в 2021 году:
1. Исследование условий возникновения свободной тепловой конвекции в ядре Земли в период его аккумуляции.
На основе численных расчётов рассмотрены различные сценарии темпов роста Земли, обеспечивающих условия для возникновения свободной тепловой конвекции и формирования магнитного поля на ранних стадиях роста Земли. Показано, что темпы роста существенно влияют на распределение температуры в центральной области, где основной вклад в разогрев вносит энергия распада короткоживущих 26Al, 60Fe. Чем быстрее идет рост на ранней стадии, тем большее количество энергии распада короткоживущих изотопов удерживается в растущей Земле. Таким образом, температура в центральной области Земли к концу аккумуляции превышает современную (около 6000 K).
Исполнители: Миндубаев М.Г., к.ф.-м.н., с.н.с; Антипин А.Н., к.ф.-м.н., н.с.
Публикации:
- Антипин А.Н., Миндубаев М.Г. Тепловая эволюция ядра Земли в период его формирования с учетом выделения тепла от короткоживущих радиоизотопов 26Al и 60Fe // Литосфера. Т. 21. №. 2. С. 256–261. DOI: 10.24930/1681-9004-2021-21-2-256-261
- Antipin A., Mindubaev M. Conditions for the formation of the magnetic field at the early stages of the Earth’s evolution // In Book of Abstracts Russian Conference on Magneto Hydrodynamics, Perm. 2021. P.9
- Миндубаев М.Г., Антипин А.Н. Влияние темпов роста на тепловую эволюцию Земли в период её формирования // В сборнике: Глубинное строение, геодинамика, тепловое поле Земли, интерпретация геофизических полей. Материалы всероссийской конференции с международным участием. Екатеринбург. 2021. С. 149–152.
2. Теоретические и экспериментальные исследования палеоклиматической информативности нестационарного геотемпературного поля.
2.1. Начато исследование особенностей формирования подземного теплового поля городской территории. Описан способ разделения климатической и локальной температурных аномалий подземной среды по данным температурных измерений в скважинах. На примере скважины Пономаревская-1 (ИГФ-280) количественно оценен вклад климата города и строительства и эксплуатации отапливаемого здания на локальном участке поверхности в общую температурную аномалию подземной среды, а также в изменение теплосодержания горных пород.
2.2. По данным температурного мониторинга, проведенного на ОГМС Верхнее Дуброво, исследованы особенности теплообмена на естественном и искусственном (пенопластовый блок) покрытиях в суточном цикле. В условиях двуслойной среды исследована температурная реакция поверхности на изменение теплового потока от тепловых свойств покрывающего слоя. На поверхности пенопластового включения, обладающего наибольшим тепловым контрастом по отношению к нижележащему слою грунта, запаздывание температурной реакции на изменение теплового потока через поверхность оказалось много меньше, чем значение для естественной поверхности. Теоретические разности фаз между вариациями температуры и теплового потока лучше всего согласуются с измеренными на грунте. Погрешности на пенопласте существенно выше. Вероятная причина этого связана с относительной прозрачностью пенопласта для прямых солнечных лучей. Помимо кондуктивного, здесь действует и радиационный механизм теплообмена, не учитываемый моделью. Полученные результаты могут найти применение при изучении теплообмена на искусственных покрытиях городов и их роли в формировании городских островов тепла.
Исполнители: Демежко Д.Ю., д.г.-м.н., г.н.с.; Миндубаев М.Г., к.ф.-м.н., с.н.с; Антипин А.Н., к.ф.-м.н., н.с.; Горностаева Н.А., к.ф.-м.н., с.н.с.; Хацкевич Б.Д., м.н.с.
Публикации:
- Gornostaeva A., Demezhko D., and Antipin A. The model of temperature response to external radiative forcing / IAGA-IASPEI 2021, 21 – 27 August 2021, Hyderabad, India. Abstracts book. P. 569–570.
- Горностаева А.А., Демежко Д.Ю., Антипин А.Н. Температурный отклик на внешнее радиационное воздействие: верификация простой модели // Геофизические процессы и биосфера 2021. T. 20. № 4. С. 5–19. DOI: 10.21455/GPB2021.4-1
- Горностаева А.А., Демежко Д.Ю., Антипин А.Н. Результаты температурного и актинометрического мониторинга на ОГМС «Верхнее Дуброво» // Глубинное строение, геодинамика, тепловое поле, интерпретация геофизических полей. Одиннадцатые научные чтения памяти Ю.П. Булашевича. /Материалы Всероссийской конференции с международным участием. Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2021. С. 73–76.
- Горностаева А.А., Хацкевич Б.Д. Оценка подземного теплового поля мегаполиса по данным скважинных температурных измерений (на примере Екатеринбурга) // Двадцать вторая уральская молодежная научная школа по геофизике: Сборник науч. материалов. Пермь: ГИ УрО РАН, 2021. C. 39–42.
3. Исследование связи вариаций температуры в скважинах, объемной активности почвенного радона, электрических параметров с тектоническими процессами в земной коре регионов с различающейся геодинамической обстановкой.
3.1. Экспериментально и теоретически изучен квазистационарный эффект свободной тепловой конвекции в водонаполненных скважинах, проявляющийся закономерным снижением температурного градиента вблизи верхней и нижней границ. Оценены амплитуда температурных искажений и длина искажаемых интервалов в зависимости от геотехнологических параметров (глубина и внутренний диаметр скважины, геотермический градиент, вертикальная компонента скорости конвективных течений). Для количественного описания эффекта предложено использовать аппроксимационную модель Рамея.
3.2. Разработано универсальное техническое устройство «профиль гребенка» для подавления температурного шума свободной тепловой конвекции в скважинах (в соответствии с ранее полученным патентом РФ 2678174
3.3. Показано, что процесс подготовки тектонических землетрясений проявляется как в аномалиях объёмной активности (ОАР) почвенного радона, так и в вариациях температурных кривых по скважинам. Это свидетельствуют о том, что аномалии ОАР и вариации температуры воды в скважинах определяются изменением напряжённо-деформированного состояния горных пород в верхней части геологического разреза.
3.4. Изучен вещественный состав образцов дунитов и клинопироксенитов из Кытлымского гипербазитового массива Среднего Урала. Получены температурные зависимости электрического сопротивления в интервале температур 20‒900 ºC. Измерена величина магнитной восприимчивости образцов каппометром КТ-5с (в относительных единицах) и плотность (г/см3). Изготовлены прозрачные шлифы и описаны под микроскопом. Определены электрические параметры исследованных образцов (lgRₒ и Eₒ), установлен характер их распределения. По физическим параметрам и электрическим параметрам в области собственной проводимости (700–900 ºC) исследованные образцы разделены на четыре группы: дуниты и три группы клинопироксенитов. При этом для исследованных образцов клинопироксенитов оливинсодержащих слабо амфиболизированных и образцов оливинов выявлены одинаковые электрические параметры и установлен одинаковый характер их распределения. Таким образом, электропроводность при высоких температурах может быть надежным дополнительным независимым параметром при исследовании дунитов и клинопироксенитов.
Исполнители: Юрков А.К., к.г.-м.н., в.н.с.; Демежко Д.Ю., д.г.-м.н., г.н.с.; Щапов В.А., д.г.-м.н., с.н.с.; Бахтерев В.В., д.г.-м.н., в.н.с.; Рыбаков Е.Н., к.г.-м.н., н.с., Миндубаев М.Г., к.ф.-м.н., с.н.с., Бирюлин С.В., м.н.с.; Хацкевич Б.Д., м.н.с.
Публикации
- Demezhko D.Y., Khatskevich B.D., Mindubaev M.G. (2021) Borehole Temperature Measurements Under Free Thermal Convection. pp 101-113. In: Svalova V. (eds) Heat-Mass Transfer and Geodynamics of the Lithosphere. Innovation and Discovery in Russian Science and Engineering. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-63571-8. Print ISBN 978-3-030-63570-1, Online ISBN978-3-030-63571-8.
- How to see free thermal convection in water filled boreholes? / Научно-популярный ролик / D. Demezhko, B.Khatskevich, A. Gornostaeva. Дата премьеры: 28 окт. 2021 г. URL: https://youtu.be/yfFxt-I3uZ0
- Бахтерев В.В. Дуниты и клинопироксениты из Кытлымского гипербазитового массива. Результаты исследования высокотемпературной электропроводности // Уральский геофизический вестник. 2021. № 1(43). С. 20–26. DOI:10.25698/UGV.2021.1.3.21
- Бирюлин С.В., Козлова И.А., Юрков А.К. К вопросу о возможном влиянии вулканических очагов на проявление процесса подготовки землетрясений в аномалиях объёмной активности радона // Уральский геофизический вестник. 2021. № 1. С. 4–7. DOI:10.25698/UGV.2021.1.1.04
- Бирюлин С.В., Козлова И.А., Юрков А.К. Связь между аномалиями объемной активности радона и процессом подготовки землетрясений (на примере Южных Курил) // Известия Уральского государственного горного университета. 2021. № 4(64). С. 1–8.
- Демежко Д.Ю., Хацкевич Б.Д., Миндубаев М.Г. Квазистационарный эффект свободной тепловой конвекции в водонаполненных буровых скважинах // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021. Т. 332. №. 7. С. 131–139. DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2021/7/3271
- Козлова И.А., Бирюлин С.В., Юрков А.К. Поведение аномалий объемной активности почвенного радона во время подготовки тектонических землетрясений // Литосфера. 2021. № 5. С. 724–733. DOI: 10.24930/1681-9004-2021-21-5-724-733
- Козлова И.А., Бирюлин С.В., Юрков А.К., Демежко Д.Ю. Изменения объемной активности почвенного радона и температурные вариации в скважине во время процесса подготовки землетрясения // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2021. № 6. С. 28–36.
4. Исследование условий реализации возможных режимов развития процесса разрушения на основе результатов количественной интерпретации данных наблюдений акустической эмиссии, полученных с использованием методики восстановления структурно-петрофизических характеристик горных пород, учитывающей влияние формы поверхности излучающих трещин.
На основе данных лабораторных экспериментов по наблюдениям акустической эмиссии (АЭ) при одноосном нагружении образца гранита построены ее амплитудно-частотные спектры для двух моментов времени и . С использованием модели дискообразных трещин проведена количественная интерпретация полученного экспериментального материала. В результате были восстановлены нормированная функция распределения трещин по длинам их большой и малой полуосей, а также соответствующие распределения удельной внутренней поверхности и пористости на моменты регистрации спектров. Сравнительное исследование полученных распределений показало, что за промежуток времени между моментами регистрации спектров =168 часов 39 минут существенного перераспределения трещин по длинам их полуосей и не произошло. Анализ уравнения баланса энергии разрушающегося твердого тела, с привлечением результатов интерпретации позволил сделать вывод о том, что характер развития процесса разрушения в течение промежутка времени был эволюционным, при котором мощность упругих сил расходовалась, в основном, на изменение поверхностной энергии материала. Образец разрушился через 1 час 47 минут после момента регистрации второго из спектров. Отсюда следует, что процесс образования магистральной трещины, приведший к этому событию, происходил в течение временного интервала, много меньшего, чем промежуток времени между моментами регистрации спектров . При этом, от момента времени, когда появились первые сигналы АЭ, до момента , происходил рост трещин, сопровождавшийся их перераспределением по размерам. В течение временного интервала окончательно сформировалась группа трещин (с большими значениями длины большой полуоси и малой величиной раскрытия ), слияние которых привело к образованию магистральной трещины, разделившей образец на части.
Исполнители: Беликов В.Т., д.ф.-м.н., г.н.с.; Рывкин Д.Г., с.н.с.
Публикации:
- Беликов В.Т., Рывкин Д.Г. Исследование процесса разрушения горной породы с использованием данных о временных изменениях ее структурных характеристик // Физическая мезомеханика. 2021. Т. 24. № 3. С. 94–103. DOI: 10.24412/1683-805X-2021-3-94-103.
- Беликов В.Т., Рывкин Д.Г. Связь особенностей временных изменений структурных параметров образца гранита с характером развития процесса его разрушения // Уральский геофизический вестник. 2021. № 1. С. 27–38. DOI: 10.25698/UGV.2021.1.4.27