2010 год

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.