Лаборатория
МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ГЕОФИЗИКИ
Института геофизики им. Ю.П. Булашевича УрО РАН
2011 год
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.
