Геофизическая наука на рубеже веков

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ НАУКА НА РУБЕЖЕ ВЕКОВ

Доктор геол.-мин. наук Е.А.Рогожин
Институт физики Земли РАН

- Развитие методов геофизических исследований

- Изучение геопотенциальных полей
- Изучение глубинного строения геосфер океанов и континентов
- Механизмы формирования и преобразования структур
- Моделирование геофизических и геодинамических процессов
- Мониторинг состояния геологической среды геофизическими методами
- Прикладные аспекты геофизики и современной геодинамики
- Заключение

Среди наиболее значительных актуальных проблем в науках о Земле следует назвать создание комплексной геодинамической модели строения и развития Земли, учитывающей последние достижения в изучении ее поверхностного геологического строения с одной стороны и внутренней структуры планеты - с другой. На границе двадцатого и двадцать первого веков наблюдается значительный прогресс в развитии наук о Земле в России. В частности это относится и к геофизике. Здесь возник ряд новых научных направлений с собственной методологией; новое развитие получили также многие уже известные методы. Положительным моментом является комплексный (геономический) подход к анализу геологических, геофизических, сейсмологических и геодезических данных, что позволяет приблизиться к построению более реальных, нежели ранее, моделей строения и развития тектоносферы. Активно развиваются методы компьютерного и натурного моделирования. Прикладные разработки на базе выявленных фундаментальных закономерностей привели к заметным успехам в деле прогнозирования природных катастроф, оценки сейсмической опасности, в решении металлогенических проблем. Рассмотрим, как все эти научные новации отражаются в тематике проектов РФФИ в последние три года.

Развитие методов геофизических исследований

Методические разработки, поддержанные в проектах РФФИ, довольно разнообразны и охватывают многие направления современной геофизики. В основном развитию и модернизации подвергаются сейсмические, электромагнитные и геоэлектрические методы исследования геологической среды. Следует особо отметить большой интерес исследователей к явлениям природного и техногенного воздействия на недра Земли и триггерным эффектам в глубинах в ответ на такие воздействия.

В отчете по проекту 97-05-65225 (руководитель Чичинин И.С.) описаны результаты исследования поля смещений упругих волн, возбуждаемых источником, действующим на стенку скважины в анизотропной гиротропной среде. Закончена разработка программ расчета волн для случая необсаженной скважины, когда сферический источник давления работает в жидкости, не касаясь непосредственно стенки скважины, а также в случае, когда источник направленной силы действует на стенку скважины. При помощи этих программ рассчитаны сейсмограммы по профилям, параллельным стволам скважин, а также по профилям, идущим от местоположения источника по расходящимся лучам.

В отчете по проекту 98-05-64934 (руководитель Новик О.Б.) рассматриваются сейсмогенные электромагнитные и температурные сигналы из зон литосферы с низкоомными структурами. Разрывы сейсмичных зон литосферы являются каналами для мощных металлогенических процессов тепломассопереноса (например, интрузии ультраосновных магм с Fe, Mn и т.д.) в кору. Основываясь на том, что низкоомные (но) структуры (0.1-0.5 См/м) типичны для сейсмичной литосферы, формулируется математическая модель генерации и распространения низкочастоных сейсмоэлектромагнитных (эм) и -температурных (т) сигналов в неоднородной среде, включающей зону литосферы с но-структурами и атмосферу до ионосферной области D. Демонстрируются численно и графически последовательные стадии генерации и распространения сейсмо-эм и сейсмо-т сигналов: дифракция сейсмических волн (например, от источника в верхней мантии) на но-структурах в коре в присутствии геомагнитного поля и низкочастотная (0.1-10 Гц) эм-эмиссия в атмосферу. Эм-сигналы на поверхности Земли (50 пТл в рассматриваемом случае слабой сейсмичности и 10 пТл на высоте 30 км) переносят, обгоняя сейсмическую волну, информацию о начале глубинного сейсмического возбуждения, его спектре и амплитуде. Т-сигнал (порядка 0.01 К в осадочном слое) распространяется вместе с сейсмической волной.

В отчете Пушного Б.М. и др. (проект 98-05-65210) приведены сведения о фазовом методе вибрационного сейсмического зондирования. Проведено теоретическое исследование и имитационное моделирование алгоритма разделения волн по результатам вибрационного сейсмического зондирования узкополосными гармоническими сигналами. Экспериментальная зондирующая система обеспечивает высокую точность измерения модулей и фаз сигналов, регистрируемых на расстояниях до 300 км от вибратора. Предложенный алгоритм позволяет вычислять интенсивности (модули) и время распространения (полные фазы) сейсмических волн различного типа в форме их числовых параметров. Задача сводится к решению системы нелинейных уравнений. Моделирование алгоритма проведено с учетом технических характеристик реальной зондирующей системы с имитацией случайной погрешности измерений. Численные оценки времени распространения сохраняют уровень точности полевых измерений. Погрешности полученных оценок - в пределах единиц миллисекунд. Раздельно вычисляются параметры волн с близкими (до 100 миллисекунд) временами пробега. Алгоритм разрабатывается для наблюдения за состоянием потенциальных очагов землетрясений и калибровки сейсмических групп.

Оригинальное исследование проведено А.К. Манштейном и др. в рамках проекта РФФИ "Изучение изменений фазовых скоростей распространения упругих волн в осадочных породах при воздействии на них электрическим током" (проект 98-05-65296). Для изучения сейсмического разреза самой верхней части земной коры на территории геофизического полигона (с. Быстровка, Новосибирская обл.) авторами были выполнены эксперименты в акустическом частотном диапазоне и построены графики вертикального распределения скоростей P и S волн на глубину до 2 м на нескольких участках. Был выбран участок с хорошо выраженными тремя верхними слоями. Здесь были выполнены выемки грунта на глубину до 1.5 м и созданы три блока из породы в естественном состоянии в виде колонн с сечением 0.4х1.0 кв. м и различной высоты. Блоки на всех гранях были обустроены ленточными металлическими электродами. На одной из малых сторон блоков закреплялся источник акустических колебаний, а на поверхности, вдоль осевой линии, устанавливались сейсмоприемники. Регистрировались изменения скоростей проходящих P и S волн по верхнему пласту блоков при различном направлении протекания электрического тока и в зависимости от времени. Обнаружено, что наибольшее отличие от начальных скоростей (без пропускания электрического тока) для P и S волн в зависимости от количества электричества, прошедшего через породу (Ач/мин), наблюдается не по первым вступлениям волн, а по одинаковым фазам второго периода в интервале цуга, содержащего первое вступление. Впервые определены параметры изменения фазовых скоростей поперечных и продольных волн при монотонном возрастании количества электричества, переносимого через влажные суглинки, чернозем и песок. Получены зависимости изменения скоростей при различной ориентации электрического поля по отношению к направлению распространения акустических колебаний.

В работе Исакова В.П. и др. (проект 98-05-65429) проведено исследование механизмов взаимодействия сейсмических и электромагнитных полей, возбуждаемых взрывомагнитными генераторами. Были разработаны адаптированные к геофизическим исследованиям взрывомагнитные генераторы, являющиеся мощными источниками одновременного возбуждения электромагнитного и сейсмического полей. По результатам испытаний генераторов оценена амплитуда обратного сейсмоэлектрического эффекта для продуктивного слоя, находящегося на глубине 2 км, в 10 мВ, что достаточно для успешной регистрации этого эффекта. С целью изучения прямого взаимодействия полей рассмотрена возможность создания автономного опускаемого в скважину взрывомагнитного генератора. При этом определены эффекты взаимодействия генератора непосредственно со средой и получены экспериментальные параметры преобразования сейсмической и электромагнитной энергий в другие виды. Для определения коэффициентов взаимодействия в расчетных уравнениях сконструирована и используется оригинальная установка моделирования эффектов взаимодействия полей.

Исследование динамических параметров и разработка новых интегральных характеристик для описания динамических процессов в очагах землетрясений проводилась Н.В. Кондорской с соисполнителями в процессе работ по проекту 98-05-64733. Проведена работа, связанная с построением новой кинематической модели для определения динамических параметров очагов землетрясений в сейсмологической практике. Разработана оригинальная, физически обоснованная, временная функция для аналитической аппроксимации очаговой волны в телесейсмической зоне. Предложен новый подход к автоматическому выделению вступлений очаговых волн по цифровым записям. Проведен расчет моментных и энергетических магнитуд по широкополосным цифровым записям российских и зарубежных станций для ряда землетрясений по альтернативным моделям.

В.Ф. Писаренко и др. в рамках проекта 99-05-64924 рассмотрена возможность применения распределений с "тяжелыми хвостами" в сейсмологии. Установлено, что подобные распределения (например, степенное распределение Парето с показателем меньше 1) являются эффективными моделями для многих процессов как в сейсмологии, так и в других науках. Для распределений с тяжелыми хвостами неприменимы закон больших чисел и центральная предельная теорема теории вероятностей. Поэтому такие стандартные статистические характеристики как выборочное среднее и выборочное стандартное отклонение неприменимы: они неустойчивы и малоинформативны. В выполняемом проекте разрабатывается новая оригинальная методика статистической обработки данных с тяжелыми хвостами. Методика применяется для решения некоторых сейсмологических задач: оценки распределения энергии землетрясений в области самых больших возможных значений; оценки распределения числа жертв и экономических потерь для землетрясений и других природных катастроф (наводнений, ураганов); оценки скорости накопления сейсмического момента по каталогам землетрясений; оценки скорости относительного перемещения литосферных плит. Полученные результаты применимы к оценке риска от природных катастроф.

Исследование волновых полей в сложно-построенных средах при решении прямых и обратных задач теории распространения сейсмических волн проведено В.Н. Трояном и др. в рамках проекта 99-05-64127. Создание новых методов восстановления параметров среды в задачах сейсмической томографии позволяет изучать волновые поля в пористых поглощающих анизотропных средах на основе метода эффективной модели. Исследованию подвергаются упругие поля со сложной геометрией волновых фронтов, обусловленной многофазностью и анизотропией среды. Рассматриваются динамические характеристики полей в особых областях, оценивается качество и достоверность восстановления параметров среды методом томографии. Особое внимание уделено исследованию волновых полей в эффективных моделях, наиболее адекватно отражающих реальные геологические среды. Создаются также новые алгоритмы лучевой и дифракционной томографии, использующие смешанные поверхностные волны: волны соскальзывания, волны шепчущей галереи и др.

А.В. Николаев и др. в ходе работы по проекту 99-05-64137 изучают инициирование сейсмоакустических полей природными и техногенными процессами. Экспериментальное исследование тонкой структуры микросейсмичности и сейсмоакустических шумов позволяет выявить инициирующее влияние естественных и техногенных процессов: земного прилива, изменений атмосферного давления и ветра, эксплуатации водоносных горизонтов (откачка и закачка воды), создания подземных выработок, глубоких котлованов, техногенных и естественных сейсмических воздействий. Главное внимание уделено изучению сейсмоакустических явлений, инициированных природными и техногенными процессами на территории Москвы, где техногенные процессы наиболее интенсивны и разнообразны. На основании скважинных наблюдений и изучения характера реакции сейсмоакустического поля на инициирующие процессы - степени и ритма внешней синхронизации и хаотизации в зависимости от интенсивности, режима инициирующего и частоты инициируемого процесса, разрабатываются методы оценки степени неустойчивости динамических процессов, протекающих в среде. В будущем это даст возможность прогнозировать катастрофическое развитие некоторых эндогенных и экзогенных процессов - быстрых криповых подвижек, оползней, обрушений, просадок.

Лучевой метод в блочных средах: ветвление решений, сингулярности и дифракция - разрабатываются в ходе выполнения проекта 99-05-64425 (руководитель С.В. Гольдин). Несмотря на уже длительное развитие лучевого метода, ряд принципиальных проблем для блоковых сред, содержащих вертикальные и субвертикальные границы, примыкание и выклинивание слоев, остаются нерешенными до настоящего времени. Первая проблема - описание среды и автокодировка лучей - представляется сугубо технической, но для всех имеющихся решений существуют ситуации, когда алгоритмы либо не работают, либо работают неустойчиво. Вторая проблема - ветвление решений прямой кинематической задачи (многоэкстремальность функционала Ферма) - остается "твердым орешком" для многочисленных групп исследователей, преимущественно на Западе, в связи с построением высокотехнологических алгоритмов миграции для блоковых сред. Третья проблема - расчет волн в сингулярных точках и их окрестностях - по существу решена лишь для простой каустики, тогда как в трехмерном случае мы имеем целый набор сингулярностей. Четвертая проблема - расчет последующего приближения лучевого ряда - решена только для примесной составляющей, при этом поперечный градиент амплитуды волны считается лишь сопоставлением амплитуд на соседних лучах, что не обеспечивает нужной точности. И только пятая проблема - учет дифракции на угловых областях - после работ К.Д. Клем-Мусатова и А.М. Айзенберга, по крайней мере для блочно-однородных сред, может считаться решенной, но включение этих возможностей в развитый "лучевой" алгоритм не является столь уж простым делом. Перечисленные проблемы являются предметом исследования в настоящем проекте.

В работах Назарова В.Е. и др. (проект 98-05-64683) изучаются упругие волны в средах с сильной акустической нелинейностью. Исследования проводились по следующим направлениям: 1. Экспериментальное исследование и теоретический анализ нелинейных акустических эффектов и механизмов нелинейности в различных структурно-неоднородных средах; 2. Создание физических моделей, описывающих связь между структурными неоднородностями среды и их нелинейными акустическими проявлениями. Были получены следующие результаты. 1. Выполнен анализ возможностей сейсмоакустической диагностики напряженного состояния трещиноватой среды на основе измерения ее линейных и нелинейных упругих параметров. Показано, что нелинейные методы диагностики обладают большей чувствительностью к изменению структуры и напряженного состояния трещиноватой среды, чем линейные. 2. Предложена физическая модель микронеоднородной упругой среды, в рамках которой удается объяснить линейную частотную зависимость коэффициента поглощения звука, экспериментально установленную для широкого класса твердых тел. Получено выражение, связывающее коэффициент затухания упругой волны со структурными характеристиками среды, и определен частотный диапазон, в пределах которого коэффициент затухания линейно зависит от частоты. 3. Выполнены эксперименты по параметрической генерации и распространению низкочастотных видеоимпульсных сигналов, образующихся при детектировании высокочастотных акустических импульсов в сухом и водонасыщенном речном песке. На основе полученных результатов предложены нелинейные уравнения состояния этих сред, определены их линейные и нелинейные параметры. Проведены натурные эксперименты по исследованию самовоздействия сейсмоакустической волны, возбуждаемой в грунте за счет трансформации звуковой волны, излучаемой в воду гидроакустическим преобразователем. Для объяснения полученных результатов предложены нелинейное уравнение состояния среды и реологическая модель среды.

С.П. Вдовиченко с соисполнителями в рамках работ по проекту 97-05-65643 изучают трансформацию упругих возмущений, создаваемых воздушными источниками на границе атмосфера-грунт. Учеными был разработан экспериментальный стенд и проведены экспериментальные работы с движущимся воздушным звуковым источником. Движение акустического источника, излучающего тональный сигнал, приводит к обогащению спектра принятого на одиночный датчик сейсмического сигнала дискретными составляющими по сравнению со спектром исходного акустического излучения. Спектральные составляющие сейсмического сигнала соответствуют при этом возбуждаемым в эксперименте сейсмическим волнам. Волновая структура сейсмического поля движущегося акустического источника состоит из объемной волны, проникающей в грунт в месте установки сейсмического приемника, и моды поверхностной волны, возбуждаемой под источником. В лабораторных условиях проведены работы по изучению влияния состояния верхнего слоя грунта на процесс трансформации акустических возмущений в сейсмические. Обнаружены нелинейные эффекты и активное воздействие акустического излучения на грунт при малых по сравнению с длиной волны акустического сигнала высотах звукового источника. Проведены натурные исследования нелинейно-упругих свойств приповерхностной толщи твердой среды по биспектральным характеристикам сейсмического шума в четырех районах с различным геологическим строением. Обнаружены повышенные биспектральные амплитуды микросейсмического шума на осадочных породах, что можно объяснить влиянием упругой нелинейности приповерхностных слоев осадочных пород.

Развитию методов фундаментальных геофизических исследований многокомпонентной системой широкополосных лазерных деформографов посвящается отчет по проекту 99-05-65429 (руководитель Р.Ф. Матвеев). Объектом изучения являются особенности динамики напряженно-деформированного состояния геологической среды в различающихся по строению регионах, пространственные аномалии и временные нестабильности, вызываемые природными процессами и производственной деятельностью человека. Исследования проводятся уникальной многокомпонентной измерительной системой, состоящей из разнесенных в пространстве и синхронно работающих лазерных деформографов, маятниковых сейсмометров, наклономеров и других датчиков. Изучаются механизмы и разработаны физические модели, описывающие связь изучаемых явлений с динамическими процессами в атмосфере и с сейсмичностью Земли. Совместная обработка данных широкополосных лазерных датчиков и стандартных сейсмометрических каналов позволяет разработать новые методы повышения эффективности обнаружения и оценки параметров сейсмических сигналов естественного и техногенного происхождения.

Изучение динамики и природы потоков медленных и тепловых нейтронов нейтронного поля Земли проводят Н.Н. Володичев с коллегами (проект 99-05-65526). Значительный вклад в потоки медленных и тепловых нейтронов в нижней атмосфере Земли вносит земная кора. Для сейсмически активных районов этот вклад может быть определяющим. Детальное изучение вариаций потока нейтронов показало, что некоторые типы их временных всплесков связаны с новолуниями и полнолуниями, то есть с вариациями гравитационного воздействия Луны и Солнца на Землю. Этот результат в 1996 году был официально признан как научное открытие. Дальнейшее подробное изучение временной и пространственной динамики нейтронных потоков вблизи земной поверхности позволит, с помощью разработанной исследовательским коллективом аппаратуры, установить природу и относительную роль источников медленных и тепловых нейтронов. Исследование феномена нейтронных всплесков и их связи с сейсмоактивностью может послужить основой для появления нового типа предвестников землетрясений.

Изучение геопотенциальных полей

Продолжается изучение основных геофизических полей. Проведены работы по исследованию гравитационного, электромагнитного, магнитного, сейсмических полей в разных масштабах. Особое внимание уделяется тонким вариациям естественных полей Земли в ответ на природные и искусственные воздействия. Наиболее интересны следующие темы, поддержанные в виде проектов РФФИ.

Исследование нестационарных волновых полей в гидроупругой системе "океан - подстилающее дно" методами компьютерной алгебры проводилось в рамках проекта 97-05-64472 (руководитель С.Я. Секерж-Зенькович). Проводилось аналитическое решение двух нестационарных задач о волновых процессах в океане, для которых существенно взаимодействие вод океана и подстилающей его земной коры. Исследовалось возбуждение волн цунами нестационарными осесимметричными источниками, расположенными в толще упругого дна океана; изучалось отражение нестационарных волновых пакетов от гетерогенного дна океана. Исследовано возбуждение волн цунами низкочастотными нестационарными центрами расширения, точечными и распределенными в плоском и пространственном осесимметричном случаях. Предполагалось, что изменение интенсивности источника во времени носит характер нестационарных колебаний, качественно отражающих характер натурных записей цунами, причем спектр колебаний считался заключенным в пределах от 0.0003 до 0.01 Гц. В результате получен вывод: волны цунами возбуждаются лишь низкочастотными колебаниями источника; распределенные по вертикали или горизонтали источники вызывают примерно такие же волны, как точечные.

Случайные и детерминированные компоненты геофизических полей исследовались в рамках работ по проекту 97-05-65906 (руководитель А.В. Пономарев). На основе каталогов сейсмических событий и временных рядов геофизических наблюдений пополнены ранее созданные базы данных, которые использованы для исследования структуры и пространственно-временной изменчивости геофизических рядов. На примере данных долговременных наблюдений уровня воды в скважинах и содержания радона в почве выявлены принципиальные особенности формирования сезонных компонент. Предложена методика построения статистической модели воздействия известных источников на исследуемый процесс, распространяющая идеи авторегрессионных моделей на случай двух рядов. Выявлены спектральные диапазоны максимального (2-60 сут.) и относительно слабого барического воздействия и показано доминирующее влияние давления по сравнению с температурой. Для оценки пространственно-временной изменчивости сезонного хода предложен алгоритм выделения сезонной компоненты, который учитывает возможные амплитудные вариации сезонного хода во времени. В вариациях геофизических полей как в платформенном, так и в тектонически активном регионе выявлены свойства детерминированного хаоса и получены оценки, характеризующие степень детерминированности временных вариаций сигналов. Полученные оценки фрактальных размерностей реализаций (1.5 - 4) указывают, что наблюдаемая хаотичность вариаций геофизических рядов может быть объяснена динамикой относительно небольшого количества нелинейно взаимосвязанных физических параметров. Большие значения размерности, полученные для тектонически активных районов, по-видимому, отражают более сложный характер системы, порождающей вариации геофизических полей.

Исследование временных характеристик и взаимосвязи вариаций силы тяжести, наклонов и деформаций земной поверхности в платформенной области и в сейсмоактивной Байкальской рифтовой зоне проводилось Арнаутовым Г.П. с соавторами (проект 98-05-65278). Лазерными гравиметрами типа ГАБЛ-М и ГАБЛ-Э, разработанными и изготовленными при участии авторов, проведены в течение года серии измерений абсолютных значений и вариаций ускорения силы тяжести g на сейсмостанции "Талая" (Иркутская область, Южно-Байкальский прогностический полигон Байкальской рифтовой зоны - БРЗ) и на контрольных гравиметрических пунктах в Новосибирской области и в г. Иркутске. Одновременно с гравиметрическими измерениями в штольне сейсмостанции "Талая" регистрировались наклоны и деформации земной поверхности, контролировался уровень подземных вод, использовались данные спутниковой глобальной позиционной системы GPS, совмещенной с гравиметрическим пунктом в Иркутске. В процессе исследований было установлено: 1. На гравиметрическом пункте "Талая" выявлены неприливные вариации g в виде импульса косинусоидальной формы длительностью не менее 3 лет и амплитудой около 13 мкГал. При этом увеличение частоты измерений (проведено 3 измерения в течение 4 месяцев) не выявило с достаточной степенью достоверности сезонных составляющих вариаций g, имеющих период менее 4 месяцев. 2. Вариации g на пункте "Талая" являются локальными, так как не коррелируют с результатами гравиметрических наблюдений на контрольных гравиметрических пунктах, находящихся в платформенной области. Эти вариации не связаны также с результатами наблюдений наклонов и деформаций земной поверхности и с изменениями уровня подземных вод. 3. Одной из причин обнаруженного изменения g может быть изменение уровня земной поверхности в районе пункта "Талая": уменьшение этого уровня в 1996-1997 гг. на 5 см и его подъем приблизительно на ту же величину в 1998 г.

Группой В.В. Ковалевского в рамках проекта 98-05-65306 проведено исследование зависимости скоростей сейсмических волн в земной коре от слабых периодических изменений напряженного состояния, вызванных лунно-солнечными приливами. Изучены вариации амплитудно-фазовых и поляризационных характеристик стационарных волновых полей, которые устанавливаются в среде при длительном излучении вибраторами гармонических сигналов. Выполнена обработка результатов экспериментов с применением 100-тонного сейсмического вибратора и систем регистрации вибросейсмических сигналов, расположенных на расстояниях 356 км и 430 км от источника. Усредненный спектр экспериментально полученных временных вариаций амплитуд и фаз гармонических вибрационных сигналов содержит скрытые периодичности с периодами приблизительно 12 и 24 часа, которые близки к периодам в спектре вариаций силы тяжести, вызванных земными приливами. Коэффициент корреляции спектров имеет величину 0.85, что позволяет предположить, что выявленные вариации параметров вибросейсмического поля обусловлены деформационными процессами, вызванными земными приливами и влияющими на скорости сейсмических волн.

Природа магнитных аномалий и строение океанической коры в зонах асейсмичных хребтов и внутриплитовых поднятий исследована при выполнении проекта 99-05-64770 (руководитель А.М. Городницкий). Асейсмичные хребты и внутриплитовые поднятия (хребет Горриндж и Бермудское поднятие в Северной Атлантике, возвышенность Шатского в Северо-Западной части Тихого океана, поднятия Афанасия Никитина и Лакшми в Индийском океане) в океанических областях являются ключевыми объектами для понимания геологического строения и тектонической эволюции океанической литосферы в целом и отдельных ее участков. Одним из ведущих методов исследований основных морфоструктур дна океана является геомагнитное изучение, дающее информацию как о глубинном геологическом строении океанической коры, так и о ее кинематике. Проводимые исследования строятся на обобщении и комплексной интерпретации геомагнитных, геолого-геофизических данных на основе компьютерного моделирования. Разрабатываются современные представления о природе магнитных аномалий в связи с кинематикой и геодинамикой изучаемых объектов. Особое внимание уделяется исследованию соотношения тектоники и вулканизма, а также роли процессов двухъярусной тектоники плит.

Ю.В. Брусиловский с коллегами при работе по гранту 98-05-64228 изучают структуру аномального магнитного поля и строение океанической коры в зонах вулкано-тектонических и вулканических структур. Была проведена систематизация данных по случаям возбуждения техногенной сейсмичности в районах размещения предприятий добывающей промышленности, выполнен сравнительный статистический анализ параметров объектов разработки (таких, как глубины и интенсивность работ, геомеханические и флюидодинамические характеристики разрабатываемых горных массивов), работы на которых привели к возбуждению сейсмических событий, с параметрами других объектов, оказывающих сходное воздействие, но не вызвавших изменения сейсмических режимов. Исследована связь режима эксплуатации объектов с режимом сейсмических событий. В лабораторном эксперименте изучено возникновение арочных конструкций над областями декомпрессии в продуктивном пласте при добыче углеводородов.

Исследование взаимосвязанных электромагнитных и акустических явлений в литосфере, атмосфере, ионосфере и магнитосфере при искусственных и природных возмущениях проведено В.В. Кузнецовым с коллегами (проект 99-05-64676). Проводятся экспериментальные и теоретические исследования по изучению реакции геофизической среды на искусственные (сейсмовибраторы и взрывы) и естественные (землетрясения) возмущения литосферы. Рассматриваются механизмы генерации, распространения и взаимодействия со средой: (а) сейсмических и инфразвуковых волн, (б) возмущений в электрическом, магнитном и теллурическом полях Земли, (в) возмущений в верхних слоях атмосферы, в ионосфере и в магнитосфере при воздействии на геофизическую среду мощных сейсмовибраторов, установленных на Быстровском вибросейсмическом полигоне СО РАН (г. Новосибирск), промышленных взрывов, производимых в Западной Сибири, и землетрясений в Алтае-Саянском сейсмически активном регионе. Разрабатываются теоретические модели взаимодействия мощных сейсмических волн с геофизической средой как в сейсмически-активной области очага землетрясения, так и в сейсмически-пассивных регионах.

Исследование воздействия микробаром и микросейсм штормового происхождения на верхнюю атмосферу и сейсмические очаги проводилось по проекту 97-05-64374 (руководитель В.Н. Табулевич). Выполнен анализ действия вибраций с ускорениями << g. Ход исследований продвинул проблематику к использованию механизма возникновения локации и снятия более мощных напряжений в земной коре. Этот механизм "работает" до уровня землетрясений 13 энергетического класса. Представлены доказательства распространения штормового инфразвука от океанов Северного и Южного полушарий в центр Азиатского континента, где они были зафиксированы инфразвуковой установкой Обсерватории Института солнечно-земной физики СО РАН. Например, два циклона, действующие в южной части Атлантического океана в июле 1986, возбудили микросейсмические колебания, зафиксированные сейсмостанциями "Мирный" и "Новолазоревская". Инфразвук от этих циклонов был записан станцией ИСЗФ вблизи Иркутска. Источник и приемник колебаний находились на расстоянии 10-12 тысяч км. Определены условия затухания инфразвука и преимущественные пути его распространения.

Изучение глубинного строения геосфер океанов и континентов

Исследование глубинного строения Земли проводится как геологическими, так и разными геофизическими методами. Эти работы носят в основном региональный характер: изучению подвергаются отдельные территории, как на суше, так и в морях и океанах. Особым вниманием исследователей пользуются такие ключевые в геодинамическом отношении районы Земли, как Курило-Камчатская островная дуга, Байкальская рифтовая система, рифтовая зона и трансформные структуры Атлантического океана, регионы Уральской и Кольской сверхглубоких скважин, Срединно-Арктический хребет Гаккеля и шельф моря Лаптевых и др. Реже выполняются обобщающие работы по изучению крупных территорий (к примеру, северной Евразии в целом). Обычно исполнители проектов, поддержанных РФФИ, используют для этих работ современные, в основном полевые методы исследований. Во всяком случае, уровень методической обеспеченности и инструментальной оснащенности данных разработок соответствуют мировому научному уровню. Сильной стороной ряда проектов является комплексный геолого-геофизический подход при интерпретации получаемых эмпирических данных. Из наиболее ярких следует отметить следующие темы.

Природа разномасштабных структурно-вещественных неоднородностей земной коры (на примере района Кольской сверхглубокой скважины) исследовалась группой ученых под руководством В.Н. Шолпо (проект 97-05-64443). Проводилось целенаправленное изучение различного рода структурно-вещественных неоднородностей, являющихся составными элементами как древней, так и новейшей структуры. Выявлены морфологические типы этих неоднородностей, установлены их структурно-парагенетические и масштабно-иерархические соотношения, произведено разделение по кинематическим условиям формирования на компрессионные и декомпрессионные типы. Выстроена временная последовательность формирования важнейших типов неоднородностей в процессе эволюции коры региона, сделана их привязка к имеющимся геохронологическим датировкам. Крупнейшие структурно-вещественные неоднородности при детальном картировании сопоставлены с толщами, предположительно вскрытыми стволом скважины на глубине 10-12 км. Получен аналитический материал по характеру метаморфизма комплексов пород архея и протерозоя. Выявлены коррелятивные признаки, и сделана предварительная корреляция некоторых структурно-вещественных неоднородностей, встреченных в стволе скважины и зафиксированных на поверхности. Получены величины геотермических градиентов для протерозойского метаморфизма на разных уровнях ствола скважины и построены графики распределения максимальной температуры преобразований пород по вертикали и латерали, на основе чего показан неравномерный характер проявления метаморфизма в объеме геопространства. Проведены исследования по изучению неотектонической и современной активизации региона. Выполнена компьютерная обработка карт разрывной сети, на основании чего получены количественные данные по степени тектонической раздробленности пород геопространства по площади и в объеме.

Проблемы геологии, глубинного строения и геодинамики земной коры подвижных поясов континентов по результатам геолого-геофизического эксперимента на Уральской сверхглубокой скважине СГ-4 изучаются в рамках проекта 98-05-64808 (руководитель В.С. Дружинин). Выполнены анализ и сопоставление геофизических и геологических данных по району Уральской сверхглубокой скважины, в увязке с информацией, полученной в процессе бурения (на 1.12.98 г. достигнута глубина 5401 м). Мощность верхнего вулканогенного комплекса базальтоидов оказалась порядка 5 км, а его интегральные скоростные параметры - 6,1 км/с - подтвердились данными ВСП по стволу. Вскрытый по СГ-4 разрез надежно и во всех деталях увязывается с изученным на поверхности в простой моноклинальной структуре, не нарушенной крупными разломами и постепенно выполаживающейся на глубинах 3-5 км до горизонтальной, что подтверждено затем профилем глубинного ОГТ международного проекта "Европроба". Выполненными геохимическими, петрологическими сопоставлениями установлена полная идентичность именновского комплекса в разрезе СГ-4 и распространенной на поверхности риолит-андезит-базальтовой формации островодужного типа позднелландоверийского-ранневенлокского возраста). По данным фациально-структурного анализа и петрофизики установлено его нормальное седиментационное налегание на глубине 5072 м на вулканиты офиолитового основания - кабанского плагиориолит-базальтового комплекса. На основе анализа геофизической и геологической информации и сейсмо-гравитационного моделирования по району СГ-4 и Уральскому региону уточнены особенности глубинного строения, составлена геолого-геофизическая модель строения земной коры. Под осадочно-вулканогенными образованиями палезоид в районе бурения распространена кристаллическая кора с такими же строением и скоростными параметрами, как в обрамляющих выступах докембрия, при том утоненная до 30-33 км, по сравнению с 37-42 км в упомянутых структурах обрамления. Ниже выделяется линзовидный массив мощностью до 15-25 км переходного комплекса типа "коро-мантийная смесь", так что граница Мохо испытывает под главной вулканогенной зоной Тагильской палеорифтовой структуры прогиб амплитудой более 10-15 км.

Тектонические условия проявления верхней сейсмической границы К1 и ее металлогеническое значение рассматриваются в проекте 98-05-64821 (руководитель С.Н. Иванов). Собрана дополнительная информация о результатах бурения сверхглубоких скважин СГ-3 (Кольская), Гравберг, Стенберг (Швеция), КТБ (Германия), не законченных вследствие слабого финансирования. Получены очень важные сведения о закупорке микротрещин в параллельном стволе СГ-3 на больших глубинах. Эти сведения доказывают существование высокого исходного давления трещинно-порового флюида, разгружающегося при поступлении в скважину. Материалы демонстрируют ошибочность заключения американских экспериментаторов об отсутствии повышенной пористости в глубинных породах, вскрытых в СГ-3.

В рамках выполнения проекта РФФИ "Тектоносфера тройственного сочленения литосферных плит в Южной Атлантике по магнитометрическим, гравиметрическим и альтиметрическим данным" (проект 97-05-64484, руководитель А.А. Булычев) было проведено изучение глубинного строения литосферных плит в области тройственного сочленения Буве. С этой целью составлена трехмерная модель строения тектоносферы региона с использованием данных геохронологии дна, батиметрических данных и результатов двумерного плотностного моделирования исследуемого региона по важнейшим в тектоническом отношении пересечениям. От трехмерной модели рассчитано как поле аномалий силы тяжести, так и поле потенциала силы тяжести. Дана сравнительная тектоническая и геодинамическая характеристика рифтовых систем тройственного сочленения литосферных плит Буве по результатам плотностного моделирования и проведенной интерпретации магнитного поля. Построены карты плотностей и мощностей основных слоев тектоносферы. Установлен характер изменчивости слоев по мощности и плотности.

А.С. Перфильев с соисполнителями при выполнении проекта 97-05-64588 изучали тектонику и механизм формирования коры и верхов мантии трансформных разломов Атлантики по геологическим и геофизическим данным. Анализ формирования литосферы в зонах трансформных разломов (включая трансверсивные хребты) показал, что этот процесс во многом связан с периодически меняющимся во времени магматическим и амагматическим характером спрединга в прилежащей части рифтовой зоны Срединно-Атлантического хребта. В периоды магматического спрединга формируется аномальная литосфера. В периоды амагматичного спрединга в зонах разломов сохраняется нормальная океаническая литосфера. В аномальной литосфере сейсмическая граница Мохоровичича должна проводиться по скоростным характеристикам (изменение плотности и состава пород). Эта граница по отраженным волнам либо не совпадает с плотностной и вещественной, либо отсутствует вовсе. Предложена геологическая модель (внедрение силлов базальтового и ультрамафит-базитового состава), объясняющая такие особенности строения литосферы зон трансформных разломов в периоды магматического спрединга в прилежащей части рифтовой зоны. Анализ наклонных сейсмических границ (разломов) показал, что выделяется специфический тип разломов (надвиги), параллельных трансформным разломам. По-видимому, такие разломы связаны с процессами растяжения в зонах трансформных разломов.

Исследование сейсмичности Срединно-Арктического хребта Гаккеля и шельфа моря Лаптевых с помощью донных сейсмологических наблюдений проведено при выполнении проекта 97-05-65588 (руководитель С.А. Ковачев). На основе данных о микроземлетрясениях, полученных лабораторией сейсмологии ИО РАН на море Лаптевых в результате серии экспериментов с донными сейсмографами (1989, 1996, 1997 гг.), разработана геодинамическая модель уникального региона - моря Лаптевых, где наблюдается выход срединно-арктического рифта - хребта Гаккеля - на континент. С использованием информации по донным сейсмологическим наблюдениям разработана схема сейсмического районирования шельфа моря Лаптевых, вошедшая как составная часть в карту сейсморайонирования России (СР-97). Она и создаваемый банк данных Лаптевоморских землетрясений могут быть использованы при проектировании и строительстве экологически опасных объектов на шельфе этого района (буровые платформы и подводные нефтепроводы), богатого запасами углеводородного сырья.

Природа напряженно-деформированного состояния континентальной литосферы Северной Евразии рассматривается в отчете по проекту 98-05-64139 (руководитель В.А. Магницкий). Для всей территории Северной Евразии определены тензорные характеристики изгибных деформаций, вызванных новейшими вертикальными движениями земной коры. Показано, что влияние силы отталкивания от дивергентной границы (срединно-океанического хребта) на напряженное состояние внутриплитных областей литосферы зависит помимо расстояния от степени кривизны этой границы. Влияние криволинейной траектории дивергентной границы предопределяет более низкий уровень интенсивности глобальных касательных напряжений областей, расположенных со стороны вогнутости границы. Рассчитаны изостатические аномалии для большей части Северной Евразии по сетке 10'x15'. Основные параметры этих аномалий позволяют судить о типе и интенсивности геодинамических процессов. Произведены расчеты напряженного состояния литосферы для регионов оз. Байкал и Южного Урала. Выявлены два пороговых значения максимальных касательных напряжений (около 3,5 МПа и 16 МПа), которые можно рассматривать как критические для возникновения сейсмичности. На основе данных глобальной сейсмической сети "IRIS" проведен анализ сильнейших землетрясений Северной Евразии за последнее десятилетие и выявлен эффект вращения крупных блоков литосферы, связанных с этими землетрясениями. Обосновано выделение нового типа геодинамического режима внутриплитных областей - предрифтового, связанного с деятельностью мантийных плюмов. На основе данных химической геодинамики и сейсмической томографии впервые на территории Северной Евразии выделены мантийные плюмы под юго-западным окончанием Байкальского рифта (хр. Хамар-Дабан) и на Северо-Востоке Азиатского материка. Предложена новая модель региональной компенсации для Урала, объясняющая наличие высокоскоростной переходной зоны между корой и верхней мантией. Для Курило-Камчатской островной дуги проведен анализ статистических характеристик тензоров сейсмических моментов, на основе которого построена схема ориентировок главных направлений горизонтального сжатия.

Образование регрессивных и трансгрессивных осадочных комплексов в Черном море в процессе колебаний уровня моря во время четвертичных оледенений по данным сейсмостратиграфического анализа строения палеодельт крупных рек изучается в рамках проекта 98-05-64552 (руководитель В.Н. Москаленко). Выполнен сейсмостратиграфический анализ и геологическая интерпретация данных сейсмоакустического профилирования в районе распространения конусов выноса Дуная и Днепра (на северо-западном материковом склоне Черного моря). Выделены три реперные поверхности структурного несогласия и размыва, определены комплексы осадочных отложений, соответствующие трем основным фазам регрессии и трансгрессии в Черном море, сопоставлены по времени с четвертичными оледенениями. Подготовлены основные программы для математического моделирования процесса накопления осадочных образований в области пассивной материковой окраины с учетом гравитационного уплотнения осадков, эвстатических колебаний уровня моря, процесса изостатического погружения земной коры под действием веса накапливающихся осадков.

Основные черты строения океанической литосферы по сейсмическим данным рассматриваются исполнителями проекта 98-05-64759 (руководитель Ю.В. Тулина). При этом анализировались заново, с использованием современных методик и с учетом накопленной для региона геолого-геофизической информации, данные пространственного эксперимента ГСЗ в центральной части Ангольской котловины (АК). Система наблюдений состояла из двух пересекающихся ортогональных профилей - субширотного (ВЗ) и субмеридионального (СЮ), длиной по 500 км, на каждом из которых осуществлена одновременная регистрация взрывов по схемам продольного и поперечного профилирования. Полученные материалы свидетельствуют о ярко выраженной сейсмической анизотропии подкоровой литосферы АК. Результаты интерпретации сейсмических данных однозначно свидетельствуют о наличии в разрезе слоев: осадочного (Ос) со средними скоростями распространения волн в его толще 4,0-4,1 км/с, консолидированной коры (К) со скоростями 6,5-6,7 км/с, и трех мантийных (М1, М2, М3) со скоростями 8,4-8,5, 8,6-8,8 и около 9,0 км/с. Усредненные глубины залегания поверхностей перечисленных слоев составляют: для К - 6,3 км (при глубине дна на 5,5 км, от которого начинается осадочный слой), для М1 - 12,5 км, М2 - 21 км и М3 - 32 км. На профиле СЮ в соответствии с полученной волновой картиной можно предположить чередование в разрезе по глубине мантийных слоев с относительно пониженными и повышенными скоростями. В такой трактовке построен разрез, в котором осадочный слой, консолидированная кора и глубина залегания границы М1 в среднем такие же, как и на профиле ВЗ. Скорость вдоль границы М1 меньше - 8,2 км/с, но быстро нарастает с глубиной. Достигнув на 21 км значения 8,3 км/с, она уменьшается до 7,8 км/с (заметим, что на ВЗ на этой глубине фиксируется скачок с увеличением скорости от 8,4-8,5 до 8,6-8,8 км/с). Далее, в узком интервале глубин в среднем от 48 до 50 км выделяется тонкий слой со скоростью 8,5 км/с, ниже которого снова низкая скорость - 7,9 км/с, и лишь на глубине 85 км фиксируется возрастание до 8,75 км/с. Из полученных таким образом результатов в сопоставлении с результатами по профилю ВЗ следует вывод о скоростной анизотропии подкоровой литосферы котловины до глубин не менее 32 км. С другой стороны, для интерпретации волнового поля по профилю СЮ, можно предположить, что на нормальную расслоенность разреза по глубине наложена система упорядоченных субвертикальных или наклонных структурных нарушений в виде трещин, разломов и т.п. Разломные зоны ориентированы в направлении запад - северо-запад. Сопоставление с результатами других исследований, в частности с магнитным полем, свидетельствует в пользу возможного существования в разрезе Ангольской котловины разломных зон, которые проникают в мантию до глубин не менее 20-30 км и контролируются по латерали магнитными аномалиями континентального типа. Таким образом, можно заключить, что региону в целом может быть присуща как структурная, так и скоростная анизотропия.

Исследование глубинного строения Восточно-Баренцевской впадины (по данным широкоугольного глубинного сейсмического профилирования - ШГСП) проводится в рамках проекта 98-05-64861 (руководитель Я.П. Маловицкий). На основе разработанных алгоритмов и программ нелинейных tp-преобразований была выполнена обработка и интерпретация фрагментов двух профилей, пересекающих с северо-востока на юго-запад и с восток-юго-востока на запад-северо-запад Южно-Баренцевской впадины. Общая протяженность профилей 902 км. В результате обработки данных ШГСП удалось изучить строение толщи осадочного слоя и консолидированной коры на всю ее мощность, включая переходную зону кора-мантия и зону М, до глубины 50 - 60 км. Установлено, что максимальная мощность осадочной толщи в центральной котловине Восточно-Баренцевской впадины (ВБВ) достигает 23 км, а в целом земная кора имеет здесь трехэтажное геологическое строение. Нижний этаж - докембрийский кристаллический фундамент, мощностью до 10 км; средний - палеозойский карбонатный и карбонатно-терригенный вулканогенно-осадочный комплекс мощностью до 5-9 км; верхний - терригенный осадочный комплекс мощностью до 15 км развивающихся шельфовых бассейнов от верхнепермского до четвертичного возраста. На субмеридиональном профиле ШГСП под крупными структурами в осадочной толще, такими как Штокманская, выявлены мощные мантийные диапиры на глубинах 35-50 км.

Особенности развития палеозойских континентальных окраин: анализ геодинамических и формационных характеристик являются предметом изучения по проекту 98-05-64888 (руководитель С.А. Куренков). Основное внимание уделяется изучению пассивных континентальных окраин герцинид Полярного Урала и каледонид Северного Тянь-Шаня. На Полярном Урале палеомагнитные данные для Лемвинской зоны перехода от палеоконтинента к палеоокеану показали, что ее формирование происходило у края Восточно-Европейского континента на широтах 4+3.9( (поздний кембрий - ранний ордовик) и -2+2.5( (поздний ордовик - силур). При этом, на втором этапе блоки Лемвинской зоны испытали разворот на 50( по часовой стрелке относительно Восточно-Европейского континента. Для Северного Тянь-Шаня по изотопным данным установлен позднерифейский возраст вулканитов риолитового состава. Доказано более высокое структурное положение доломитов и кварцевых песчаников, для которых по микрофоссилиям определен венд-кембрийский возраст. Эти образования формировались в пределах мелководного шельфа в условиях нормальной солености. Таким образом, изученные риолитовые и терригенно-карбонатные комплексы образовались на различных стадиях эволюции пассивной окраины Иссык-Кульского микроконтинента. Активные континентальные окраины изучались на примере Кыштым-Миасского района Южного Урала. Здесь восстановлена история формирования покровно-складчатой структуры, что позволило реконструировать первичное пространственное положение разновозрастных островодужных комплексов и геодинамическую эволюцию Уральской активной окраины Балтии в течение ордовика-карбона. Своеобразие южно-уральской окраины в это время заключалось в том, что сочленение островных дуг происходило по долгоживущим трансформным разломам.

Сейсмическая расслоенность и тектоническая эволюция земной коры Байкальской рифтовой зоны и сопредельных территорий Сибирской платформы и Забайкалья являются предметом исследований в рамках проекта 98-05-65239 (руководитель В.Д. Суворов). Cобраны и обобщены все данные ГСЗ о средней скорости в земной коре и ее мощности в регионе. Выявлено, что в земной коре архейской Сибирской платформы скорость во всей толще земной коры изменяется от 6.40+/-0.05 до 6.70+/-0.05 км/с, тогда как в областях развития палеозойских, мезозойских и кайнозойских структур она практически постоянна и равна 6.40+/-0.05 км/с. Диапазон изменений мощности коры 35-50 км в этих регионах одинаковый. В складчатых областях эти изменения происходят резко, в узких зонах, тогда как на платформе рельеф поверхности М более пологий. Значимая корреляция между скоростью в коре и ее мощностью отсутствует. В зоне сочленения платформы и складчатой области латеральные изменения скорости в коре и ее мощности свидетельствуют о сложном соотношении докайнозойских структур. Значения интервальной скорости в верхней и нижней частях коры, разделенных уровнем 20 км, образуют две отчетливо выраженные группы. Одна из них с относительно повышенными значениями скорости характеризует земную кору платформы. Относительно пониженная скорость свойственна складчатым областям Забайкалья. Интервалы изменения скорости в верхней и нижней частях коры сопоставимы. Наблюдается отчетливая региональная отрицательная корреляция между изменениями скорости в верхней и нижней частях коры. Это может быть объяснено действием гравитационной дифференциации при формировании и эволюции земной коры. Коррелирующиеся с положением рифтовой зоны аномалии скорости в верхней коре не прослеживаются в ее нижнюю часть.

Новые представления о гидрогеодинамике Байкальской рифтовой зоны и сопредельных территорий сформулированы исполнителями проекта 98-05-65469 (руководитель Б.И. Писарский). Исследования проводились в Баргузинской и Тункинской впадинах и в горном обрамлении Байкала. Их результаты таковы. В очагах разгрузки термальных и холодных (газирующих) вод приуроченных к кайнозойским региональным и краевым разломам, установлена глубинная природа высоких напоров и связанные с ней высокие концентрации гелия, кремния, фтора, водорода и ряда микроэлементов. Выявлено, что с Алгинским очагом разгрузки термальных вод (Баргузинская впадина) связаны накопление сульфатных рассолов, солей, ряда ценных микроэлементов (литий, бром, бор, фтор) в концентрациях, близких к промышленным нормативам, кремния и содообразование в щелочной среде (рН > 8.3). Это определяет особый тип напорной разгрузки, связанный с неотектонической активностью и высокой сейсмичностью при недостаточном увлажнении территории. На примере зоны Северо-Муйского тоннеля показано, что, в отличие от общепринятых представлений, система горных хребтов района имеет бассейновую структуру, а аномальные напоры восходящих потоков термальных вод в значительной степени определяются влиянием активной сейсмичности территории. Доля термальных вод в общем водопритоке в тоннель составляет 23%, а глубины их формирования (порядка 5 км) совпадают с гипоцентрами слабых землетрясений.

Современная геодинамическая обстановка зоны сочленения Алеутской и Курило-Камчатской островных дуг изучена при выполнении проекта 98-05-65659 (руководитель Ю.М. Стефанов). По результатам комплексного изучения данных структурно-геологического картирования, дешифрирования аэрофото- и космоснимков, анализа сейсмических событий были получены новые представления о характере современных тектонических движений и пространственном распределении поля напряжений в исследуемом регионе. Установлено, что в пределах "внеостроводужного" блока, заключенного между структурами Алеутской и Курило-Камчатской островных дуг, причины возникновения аномальных участков поля напряжений дифференцированы: автохтонные сейсмодислокации обусловлены автономными движениями внутри этого блока, тогда как образование аллохтонных, наведенных дислокаций связано с динамическим воздействием на него фланговых окончаний островных дуг. Рассмотрены альтернативные геодинамические модели, объясняющие выявленные закономерности; в качестве возможного механизма, определяющего последовательность и направленность тектонических процессов островодужных ансамблей в целом, предполагается источник тангенциальных сил, локализованный в области глубоководных впадин окраинных морей.

Глубинное строение и геодинамика северного участка Курило-Камчатской островной дуги изучаются при работе над проектом 99-05-64584 (руководитель Н.И. Селиверстов). Основу проекта составляет совместный российско-германский эксперимент по глубинному сейсмическому зондированию методами отраженных и преломленных волн с применением современных средств регистрации и обработки сейсмических данных. Предполагается изучение глубинного строения земной коры и верхней мантии по наземно-морскому профилю Козыревск-океан, ориентированному вкрест основных структурно-фациальных зон северного участка островной дуги.

Изучение пространственно-временных характеристик поля жесткости и поля тектонических напряжений в зоне субдукции плит (Южные Курилы - Япония) проводится участниками работы по проекту 99-05-64953 (руководитель В.И. Лыков). Ранее был разработан способ слежения за изменениями жесткости сейсмоактивных объемов горных пород по данным стандартных сейсмических каталогов. Сейчас делается первая попытка применения нового способа для решения конкретной геолого-геофизической задачи (восстановление напряженно-деформационного состояния коры и верхней мантии) на примере конкретного региона. Оценка жесткости производится на базе данных опорных станций Японии, а напряженное состояние оценивается по информативным выборкам станций мировой сети. На первом этапе исследований осуществляется ревизия мировых каталогов с целью получения однородного каталога с 1962 по 1995 год включительно. Контроль жесткости осуществляется путем сканирования во времени вдоль всего участка зоны субдукции для ряда последовательных глубинных срезов, а также по глубине для отдельных наиболее сейсмоактивных узлов зоны. Напряженное состояние определяется по общепринятым методикам. Наибольший интерес в поставленной задаче представляют данные о динамике изменений напряженно-деформационного состояния по глубине и простиранию зоны субдукции и связь этих изменений с процессами развития очагов сильных землетрясений.

Исследование линеаментной сети и активных разломов зоны сочленения Евроазиатской и Северо-Американской литосферных плит (Северное Приохотье) проводится В.Н. Смирновым с соисполнителями в рамках проекта 99-05-65350. Дешифрирование линеаментов и метрический анализ линеаментной сети, полевое и камеральное изучение параметров активных разломов и их картирование являются базой для определения региональных и локальных особенностей напряженно-деформированного состояния литосферы и современной геодинамики региона. Особое внимание уделено исследованию зон аномально высокой плотности линеаментов и активных разломов, с которыми связаны очаги современных землетрясений и палеосейсмодислокации, а также соотношению их с планом неотектонических структур, обладающих различными амплитудами вертикальных движений и типами деформаций. На основе полученных материалов разрабатываются новые сейсмотектоническая и геодинамическая модели региона.

Механизмы формирования и преобразования структур

Структуры тектоносферы возникают в результате действия процессов созидания и разрушения земной коры и верхней мантии, при деформировании твердых оболочек Земли в процессе естественной и техногенной эволюции. Механизмы формирования складчатых, разрывных и блоковых структур на разных масштабных уровнях могут существенно отличаться и определяться не только напряжениями и деформациями, но и характером преобладающего типа движений. Поэтому в проектах, связанных с изучением условий формирования и преобразования разных типов геологических структур, представлены различные идейные подходы к проблеме и широкий масштабный диапазон рассматриваемых объектов.

Сутуры, глубинные разломы и линеаменты в структуре и геологической истории складчатых областей рассматриваются в проекте 97-05-64108 (руководитель Н.В. Короновский). На материале представительного отрезка Альпийского складчатого пояса, находящегося в поле активного воздействия Аравийского индентора, проведено выявление сутур, главным образом офиолитовых, образовавшихся при сочленении литосферных микроплит и более дробных структурных единиц. Определены время и способ образования сутур, их первоначальная конфигурация и последующие деформации на входе горизонтальных изгибов, а также смещений по разломам. Установлено, что в одних случаях заложение молодых разломов происходило по сутуре, в других - как секущего скола. Для фрактального анализа разломов проведено разделение разрывов по возрасту, подготовлена схема активных близковозрастных разломов и проведена оцифровка схемы. Детальное рассмотрение геохимических особенностей коллизионных вулканитов позволило определить зависимость их состава от разломной кинематики, выделить типы вулканитов, в которых сказываются черты в одних случаях субдукционного, в других - континентально-рифтового вулканизма.

Исследование деформационных свойств границ между блоками земной коры разных иерархических уровней проводится в проекте 98-05-64627 (руководитель Г.Г. Кочарян). Изучается нелинейный характер деформирования межблоковых промежутков на разном масштабном уровне. В лабораторных экспериментах был детально исследован диапазон деформаций сравнительно небольшого размера, в котором происходит изменение характера деформирования. При более низких нагрузках нормальная жесткость снижается с ростом уровня деформации, а при более высоких - возрастает. Результаты полевых экспериментов, проведенных в массиве гранита на нарушениях сплошности, ограничивающих более крупные структурные блоки (размером до тысячи метров), показали, что здесь наблюдается увеличение жесткости межблоковых промежутков по мере снижения уровня деформации, обратно пропорциональное деформации в степени 0.25. В диапазоне воздействий на еще более крупные структуры нелинейные эффекты выражены слабее. Обработка результатов сейсмических наблюдений при подземных ядерных взрывах показала достаточно выраженную аналогичную нелинейность деформационных свойств для крупных региональных разломов. В модельных экспериментах была продемонстрирована корреляционная связь между нормальной жесткостью нарушений сплошности и фильтрационными характеристиками заполнителя трещин. Исследования структуры микросейсмического фона в окрестностях межблоковых границ показали, что амплитудный и частотный состав колебаний заметно изменяется по разные стороны от границы между структурными блоками с размерами порядка километра.

Комплексный анализ уникальной геолого-геофизической ситуации Экваториальной зоны глобального сдвига проведен Б.В. Ермаковым с коллегами при работе по проекту 98-05-64927. Набор использованных материалов включает данные набортных измерений магнитного и гравитационного полей, данные батиметрии; данные о строении океанической коры, о тепловом потоке, об океанском бурении, о сейсмичности и механизмах в очагах землетрясений; альтиметрические данные, полученные со спутников, и построенные на их основе гравиметрическую, батиметрическую карты и карту водной поверхности. Уникальность экваториальной сдвиговой системы состоит в ее огромной протяженности и сложной истории развития. На Американском континенте она представлена Амазонской сдвиговой зоной, в Атлантике разломами Романш и Сан-Паулу, на Африканском континенте - Центрально-Африканской рифтовой системой. Зона имеет древний возраст заложения и развивалась в сменяющих друг друга во времени условиях сжатия и растяжения.

Классификация тензоров сейсмических моментов, сравнительный анализ сейсмотектонических деформаций и их моделирование в областях активных геодинамических режимов выполнены С.Л. Юнгой в работе по проекту 98-05-65159 на базе специально разработанной изометрической системы классификации тензоров сейсмических моментов и механизмов очагов землетрясений. Использование нового подхода позволило дать более полное описание направленности деформационного процесса, включив и так называемые перерезывающие деформации, ранее остававшиеся по сути невыявленными. На основе обширной статистики фокальных механизмов и опираясь на указанную схему классификации, выявлены новые особенности сейсмотектонической деформации в Байкальской рифтовой зоне и в отдельных сегментах Курило-Камчатского региона.

Проскальзывание по готовому разлому (stick-slip) и связанные с ним сейсмические явления как кинетический процесс разрушения горных пород рассматриваются в проекте 99-05-64235 (руководитель В.С. Куксенко). Проводятся теоретические и экспериментальные исследования процесса разрушения горных пород по имеющимся в материале образца готовым разломам. Физической предпосылкой данных исследований являются кинетическая концепция и концентрационный критерий разрушения твердых тел. Конечной целью проекта является выявление общих закономерностей подготовки и развития процесса stick-slip, которые позволяют сформулировать новые прогностические критерии макроскопического разрушения горных пород, сопровождающегося такими сейсмическими явлениями как горные удары и землетрясения.

Разработка геодинамических моделей зон возникновения очагов сильнейших землетрясений в различных геотектонических провинциях Северной Евразии является предметом проекта 99-05-64582 (руководитель Е.А. Рогожин). Проводятся исследования по двум основным направлениям. С одной стороны - определение современного сейсмического потенциала различных в тектоническом отношении регионов (Восточно-Европейская платформа, Кавказ, Алтае-Саянская область, зона перехода от Азиатского континента к Тихому океану) с использованием разработанного авторами проекта сейсмотектонического внерегионального метода. С другой стороны - проведение полевых исследований с применением палеосейсмогеологического метода для изучения в траншеях зон крупнейших разломов на участках, которые по данным применения этого прогнозного метода выделены как потенциальные очаговые зоны сильных землетрясений. Полевые работы позволяют проконтролировать результаты, получаемые с применением внерегионального метода, а также установить период повторяемости сильных сейсмических толчков в очагах. В результате выявляется соотношение между геологической и сейсмической формами тектонической активности того или иного региона.

Исследование количественных связей сейсмотектонических деформаций с движением литосферных плит проводится в рамках проекта 99-05-64964 (руководитель А.В. Ландер). Во многих активных регионах количество зарегистрированных сильных землетрясений не достаточно для надежной реконструкции современной кинематики микроплит и блоков. Однако 90% землетрясений (в основном слабых), несущих информацию о сейсмотектонических деформациях, обычно не используется, поскольку для каждого из них в отдельности невозможно определение очаговых параметров. Авторами разработаны основы методики, позволяющей восстанавливать поля сейсмотектонических напряжений и деформаций по данным, полученным по слабой сейсмичности. Эта методика служит основой для изучения статистических законов, связывающих подвижки в очагах землетрясений различного масштаба с движениями литосферных плит. Исследуются вариации этих законов для различных современных геодинамических обстановок, региональные различия, разрабатываются методики восстановления параметров вращения микроплит по данным о слабой сейсмичности. Полученные результаты применены для исследования современной геодинамики широкой коллизионной области, разделяющей Евразийскую и Северо-Американскую плиты.

Разработка физической концепции внутриконтинентального новейшего тектогенеза Центральной Азии проводится в работах по проекту 99-05-65597 (руководитель К.И. Кузнецова). Исследуется возможный механизм внутриконтинентального новейшего тектогенеза Центральной Азии. По предлагаемой гипотезе земная кора деформируется силами, приложенными к ее нижней границе со стороны перемещающегося под ней слабовязкого (полурасплавленного или расплавленного) вещества верхней мантии. В результате образуются области с преобладающими усилиями горизонтального растяжения, окруженные областями сжатия - новейшими орогеническими поясами, выраженными в рельефе горными хребтами. Эта ситуация может иметь место внутри континентов, где на современном этапе не происходит значительного перемещения больших участков литосферы (плит) как целых единиц, но вместе с тем имеются свидетельства горизонтального перемещения горных масс земной коры, что обуславливает как орогенез, так и рифтогенез. Для реконструкции современных полей напряжений разных областей Центральной Азии и выяснения физической сущности новейшего тектогенеза используются результаты как традиционных геолого-геофизических работ, так и итоги нетрадиционных, прежде всего сейсмологических, методов анализа.

Моделирование геофизических и геодинамических процессов

Большое количество поддержанных РФФИ проектов посвящено имитации тектонических процессов и геофизических эффектов разными формами натурного, лабораторного и компьютерного моделирования. При этом экспериментаторы выбирают объекты для моделирования в зависимости от поставленных задач разными как по масштабам, так и по природе изучаемых явлений. Рост уровня обеспеченности исследовательских коллективов компьютерной техникой способствует увеличению количества научных тем, базирующихся на численном моделировании геолого-геофизических процессов. Здесь следует отметить, что наряду с исследованиями, которые действительно на основании аналогий выявляют природные закономерности строения и развития геологических объектов, присутствует много работ, в которых такие аналогии усмотреть сложно. Традиционное моделирование в области наук о Земле ранее строилось на соблюдении принципа подобия объекта и модели. Сейчас этот принцип не всегда соблюдается. Поэтому исследуемые модели часто весьма далеки от реальных объектов. В будущем, по-видимому, следует более строго подходить к отбору проектов на конкурс РФФИ по данной тематике. Продемонстрируем результаты работ по некоторым проектам в экспериментальной сфере, поддержанным РФФИ в последние годы.

Исследование геодинамических и флюидодинамических процессов в коре с помощью моделей многомасштабных гетерогенных сред проведено А.В. Каракиным с соисполнителями (проект 97-05-64440). Разработано обоснование модели многомасштабных гетерогенных сред в случае, когда размеры случайных неоднородностей соизмеримы с размерами актуального объекта. Проведено исследование численной одномерной модели компакции, описывающей процессы движения гранитообразующих флюидов и возникновения гранитных диапиров в средней коре. Дано геолого-геофизическое обоснование группы геомеханических моделей, в которых основной или составной частью является модель корового волновода. Построена геодинамическая модель литосферы как тонкого вязкого слоя.

А.М. Никишин с коллегами (проект 97-05-64768) провели компьютерное моделирование объемной геологической структуры, истории и численной геодинамики осадочных бассейнов. На основе разработанного пакета компьютерных программ для анализа истории формирования осадочных бассейнов (первой версии программы для восстановления геометрической истории деформированных толщ) проведено компьютерное моделирование истории ряда осадочных бассейнов: Московской синеклизы и других областей Восточно-Европейской платформы, Уренгойского района Западной Сибири, Скифской платформы, Черноморского бассейна, Баренцевоморского региона, Южно-Каспийского бассейна и Прикаспия. Для раннепалеозойской истории Московской синеклизы сделаны палеокарты, на которых показаны скорости вертикальных движений в любые заданные интервалы времени, скорости седиментации, скорости эрозии. Отработан вариант создания трехмерной компьютерной модели геологической структуры осадочного бассейна на примерах Альминской впадины Крыма и некоторых участков Московской синеклизы. Выявлены несколько фаз "сильного" и "слабого" континентального рифтогенеза; несколько фаз "сильной" и "слабой" инверсии в авлакогенах; эпохи общего погружения или воздымания больших площадей платформы, когда Московская синеклиза не выделялась как особый бассейн; эпохи пологой литосферной складчатости. Для Предкавказских краевых прогибов на основе новой численной модели показано, что образование литосферных корней под орогеном при горообразовании является одним из основных механизмов погружения краевых прогибов.

Моделирование процессов подготовки землетрясений путем испытания металлических образцов и с использованием универсальных критериев накопления несплошностей проводилось в рамках проекта 97-05-65952 (руководитель Л.Р. Ботвина). Оценены параметры кумулятивной сейсмической активности, характеризующие процесс подготовки землетрясений и извержений вулкана, происшедших в различных регионах мира. Построены временные зависимости оцененных параметров в период подготовки основного события, составляющий от 1-3 месяцев до нескольких дней. Обнаружено три типа кинетических кривых изменения параметра кумулятивной сейсмичности перед основным событием: кривая ускоренной сейсмичности, кривая дискретной или прерывистой сейсмичности (состоящая из двух участков ускоренной сейсмичности, разделенных периодом ее снижения или отсутствия) и кривая кумулятивной сейсмичности, не изменяющейся в период подготовки основного события. Различие кинетических кривых связано с различиями в механизмах накопления несплошностей в очаге основного события, зависящими от тектоники горных пород в данном регионе. Продолжены исследования характеристик акустической эмиссии при деформации и разрушении металлических образцов с различной степенью хрупкости, оценены параметры накопленной повреждаемости, подобные параметрам кумулятивной сейсмичности.

Теоретическое и экспериментальное моделирование процессов и механизма возникновения наведенной сейсмичности при вибрационном воздействии на геологически неоднородные среды проведено в процессе работы по проекту 98-05-64607 (руководитель В.А. Аниколенко). Выполнен комплексный анализ особенностей наведенных землетрясений на месторождениях нефти и газа. Выделены четыре главные сейсмогенные зоны: блоковый массив вышележащих пород, собственно эксплуатируемый пласт, нижележащие поверхности контактов различных по генезису и залеганию пород, глубинные сейсмогенные разломы. На основе решения динамической контактной задачи, моделирующей вибровоздействие на пласт с земной поверхности, рассчитаны амплитуды смещений, деформаций и напряжений для реальных геологических разрезов. Показано, что вибровоздействие на пласт не может быть непосредственной причиной локальной сейсмичности, но в некоторых случая может играть роль триггера. Построен алгоритм решения пространственной задачи пороупругости о возмущении напряженного состояния эксплуатируемого коллектора при откачке жидкости через добывающую скважину.

Геодинамическая модель переходной зоны с образованием тыловой впадины и островной дуги разработана исполнителями проекта 98-05-64901 (руководитель В.Н. Николаевский). Были выполнены геолого-геофизические обобщения по строению и вещественному составу литосферы переходной зоны Тихий океан - континент для районов Курильской дуги. Островная дуга - это реликт континента, гигантский эскарп, который образуется при обрушении и растяжении периферийных структур впадин. Рифтогенез или спрединг в задуговом бассейне приводит к смещению всех компонентов дуги к востоку. Величина такого смещения 30-35 км за 3-5 млн. лет. Образование глубоководного бассейна происходит под влиянием фазового перехода: эклогит-габбро-расплав в земной коре и в верхах мантии и автономного направленного (к востоку) растяжения. Основным механизмом преобразования является температурная эволюция в области астеносферы. Данные по основным геофизическим полям позволяют оценить физические и вещественные характеристики глубоких частей литосферы, включая зону субдукции и надсубдукционного клина до глубин около 400 км. Эти данные и представления отражены на двух разрезах через переходную зону, приблизительно соответствующих геотраверсу Сахалин - о.Итуруп: современный и палеоразрез для позднего палеогена - миоцена. Разрезы являются базой для численного эксперимента. Для расчетов выбрана известная в механике горных пород модель упругопластичной среды с условием текучести Кулона - Мора. Зона субдукции (или сейсмофокальная зона) является источником энергии и движений всех геологических процессов, идущих в надсубдукционном клине.

Экспериментальное исследование физической природы динамической нелинейности приповерхностных геосред в натурных условиях с помощью мощных вибровоздействий и акустического просвечивания для решения проблем метастабильности и прогностической сейсмологии проведено в проекте 98-05-64948 В.И. Юшиным с коллегами. Была разработана и опробована на практике методика тонкого эксперимента in situ, позволяющего зафиксировать и количественно оценить мгновенные вариации скоростей и затухания упругих волн, обусловленные проходящими через данную среду интенсивными сейсмическими колебаниями. Экспериментальная установка состоит из 30-тонного сейсмического вибратора, снабженного системой прецизионного управления, геоакустического излучателя, приемно-регистрирующего комплекса с цифровой записью и множества датчиков (акустических, сейсмических, давления, деформации, температуры среды). Во время прохождения сейсмической волны происходит явная деконсолидация грунта, которая выражается как в возрастании затухания просвечивающей акустической волны (в 4-5 раз), так и в снижении ее скорости (до 5%). При этом мгновенные вариации скорости и поглощения взаимно сдвинуты по фазе вибратора на 40-50 угловых градусов относительно друг друга.

Математическое моделирование тектонофизических процессов в блочной геофизической среде проведено в рамках проекта 98-05-65063 (руководитель И.А. Гарагаш). Течение гранулированных геомасс в пределах разломов может порождать медленные тектонические волны. Установлено, что их распространение описывается нелинейным уравнением синус-Гордона для вращений. Стационарное решение этого уравнения хорошо согласуется с наблюдаемым ступенчатым распространением тектонических волн. В рамках модели микрополярного континуума разработана методика, позволяющая по трем независимым измерениям отношения скоростей продольных и поперечных волн определять компоненты тензора напряжений в окрестности источника сейсмических колебаний. С ее помощью проводится мониторинг напряженного состояния земной коры Камчатки. Наблюдения позволили выявить медленные изменения поля главных напряжений, которые интерпретируются как результат распространения волн деформаций в земной коре и могут быть использованы для прогноза землетрясений.

Выявление связи пространственно-временного распределения разломов и сейсмических очагов в земной коре (по электронным каталогам) с особенностями орбитального и вращательного движения Земли проводилось В.Г. Гитисом с коллегами (проект 99-05-64218). В последнее время отмечается повышение интереса к анализу сейсмических процессов в связи с особенностями вращения Земли. Авторы проекта получили ряд результатов по широтному распределению очагов землетрясений, влиянию движений Земли на сейсмические явления, созданию оригинальных программ обработки электронных каталогов. Ведутся поиски корреляции пространственно-временных распределений сейсмических очагов, сетки разломов для различных регионов с проявлениями особенностей вращательного и орбитального движения Земли. Проводится оценка влияния регулярного движения Земли и возмущений этого движения на состояние земной коры в данных регионах.

Развитие концепции многодисциплинарного прогноза землетрясений на базе интегральной модели предвестника и совмещенных обратных задач геофизики проводится группой исследователей под руководством А.С. Алексеева (проект 99-05-64538). Модель интегрального предвестника землетрясений учитывает геофизические поля различной природы, а также другие геологические и геофизические процессы, которые можно рассматривать в качестве предвестников землетрясения. Проводится исследование количественной взаимосвязи аномалий полей предвестников различной физической природы с полем деформаций земной коры на базе совмещенных обратных задач геофизики (сейсмики, гравики, геоэлектрики, гидрогеологии и др.). Осуществляются соответствующие численные эксперименты с учетом влияния поля напряжений и поля трещиноватости (объемной плотности трещин в среде). Такой подход способен существенно повысить достоверность обработки геофизических данных и компенсировать дефицит практической информации в рамках отдельных методов (свойство дополнительности методов, проявляющееся при их совмещении). Его применимость распространяется на ситуации, когда индивидуальные методы не дают результатов (нет устойчивости и единственности решения).

Математическое моделирование волновых полей в трехмерных слоистых произвольных анизотропных средах осуществляется в рамках проекта 99-05-64863 (руководитель М.Н. Лунева). Проводится развитие теории, алгоритмов, программ лучевого трассирования и вычисления полей элементарных волн по заданному коду в трехмерных слоистых анизотропных средах произвольной симметрии с границами произвольной формы и различным типом контакта между средами. В основе математического моделирования волновых полей лежит модификация нулевого приближения лучевого метода с использованием метода численного интегрирования дифракционной формулы Френеля - Кирхгофа, метода наложения краевых/концевых волн. Определяются четкие критерии разделения элементарных волн по типам в лучевом трассировании, включая закритические области, корректное вычисление волновых полей в нерегулярных областях (каустики, зоны тени). Анализируются скоростные аномалии и динамика волн для различных моделей анизотропных сред с целью выявления диагностических сейсмических эффектов для решения задач изучения глубинного строения и напряженного состояния литосферы (в частности, сейсмической анизотропии с оценкой изменения напряженного состояния очага Кроноцкого землетрясения на Камчатке 05.12.97).

Моделирование процессов эволюции тектонических напряженных состояний в очаговых зонах происшедших сильных землетрясений проводится по проекту 99-05-65417 (руководитель О.О. Эртелева). Процесс релаксации накопленных сейсмотектонических напряжений и деформаций в очаговой области может быть соотнесен по времени с периодом афтершоковой активности. Сравнительный анализ поля остаточных смещений, порожденных главным событием, и последовательной совокупности полей остаточных смещений, вызванных повторными толчками, позволяет проследить пространственно-временные вариации локального напряженного состояния земной коры в очаговой области сильного землетрясения и оценить направленность этого процесса: релаксация или дальнейшее накопление напряжений после окончания динамического процесса разрушения. Полученные результаты численного моделирования позволяют понять процесс перераспределения накопленных сейсмотектонических напряжений в очаговой области.

Изучение очаговых зон сильных землетрясений (комплексное моделирование) является темой проекта 99-05-65418 (руководитель С.С. Арефьев). Рассматривается временной промежуток, охватывающий сейсмический процесс в области сильного землетрясения от момента накопления тектонических напряжений до их разрядки при главном событии и при повторных толчках. Комплексное моделирование очаговой зоны сильного землетрясения осуществляется на основе совместного анализа данных эпицентральных сейсмологических наблюдений и широкополосных записей мировой сети. Как необходимый элемент комплексной модели очаговой зоны в рассмотрение включаются представления о тектонической ситуации и особенностях предшествующей сейсмичности района. Использование при комплексном моделировании современных компьютерных технологий и баз сейсмологических данных дает также возможность обосновать построение более сложных, чем одноактная подвижка по плоской поверхности, моделей разрыва.

Моделирование эволюции напряженного состояния и трещиноватости горных пород в геологическом времени по данным структурной сейсмологии осуществляется в работах по проекту 99-05-65537 (руководитель Е.А. Козлов). Построена эффективная математическая модель релаксационной трещиноватой анизотропной среды, в которой раскрытие трещин, а следовательно и упругие параметры, зависят от дифференциального давления. Выведены теоретические зависимости кинематических и динамических характеристик сейсмических волн от параметров эффективной модели. Отработана методика палеотектонических реконструкций в рамках структурно-формационного подхода к интерпретации данных сейсморазведки. Эффективная модель трещиноватой среды развивается в направлениях: (а) учета насыщения одно- или многофазным флюидом (вода, нефть, газ в разных сочетаниях и пропорциях), (б) учета наличия двух взаимно ортогональных систем трещин вместо одной, что ведет к орторомбической анизотропии вместо трансверсальной изотропии. На основе использования усовершенствованной модели в рамках структурно-формационного подхода разрабатывается методика палеогеомеханических реконструкций и моделирования эволюции геомеханических условий (напряжений и деформаций, зон уплотнения и зон разуплотнения в виде систем трещин определенной ориентировки, степени раскрытия и стратиграфической приуроченности, а также вариаций межгранулярной пористости) формирования месторождений нефти и газа.

Особенности структуры сейсмических сигналов, предшествующих сильным землетрясениям, и акустических сигналов, предшествующих разрушению образцов при модельных экспериментах, с учетом механизма разрушения изучаются в рамках проекта 99-05-65622 (руководитель А.О. Мострюков). Анализируются данные наблюдений (цифровые сейсмические записи) и лабораторные данные по разрушению образцов, которые показывают, что перед процессом разрушения в лабораторных экспериментах и непосредственно перед землетрясением в ряде случаев появляется низкочастотный сигнал (акустический и сейсмический соответственно). На основе вычислительного анализа цифровых сейсмических записей обнаружено, что в ряде случаев время в очаге для низкочастотных составляющих (1-10 мГц) опережает на сотни секунд время в очаге для высокочастотных составляющих этих же землетрясений. В рамках проекта осуществляются: а) постановка экспериментальных работ для выявления физических особенностей генерации низкочастотного сигнала, его источника и динамики развития в зависимости от различных схем нагружения и типов образцов; б) сопоставление результатов эксперимента с параметрами низкочастотного сейсмического сигнала, предшествующего Р-волне, выявление условий его появления и возможности использования в качестве сверхсрочного предвестника землетрясений; в) определение соответствия полученных результатов данным теоретических работ.

Теоретические и экспериментальные исследования нелинейных взаимодействий, сопутствующих процессам подготовки разномасштабных катастрофических событий в неоднородной геофизической среде проводятся Л.Е. Собисевичем с коллегами (проект 99-05-65599). Обращается внимание на ряд аномальных явлений и процессов, связанных с явно выраженным резонансным откликом геофизической среды на происходящие сейсмические события как регионального, так и глобального масштаба. В этой связи затрагивается фундаментальная проблема нелинейных взаимодействий различных типов волновых и не волновых движений в неоднородной геофизической среде и уточняется, как отдельные контактирующие блоки, в зависимости от их физико-химических свойств, способов образования, условий залегания и строения, реагируют на разномасштабные сейсмические события (увеличивается или уменьшается вероятность возникновения геофизической катастрофы в регионе). Успешное решение этой проблемы усматривается в проведении численных и натурных экспериментов.

Взаимосвязь сейсмичности и движений блоков земной коры анализируется в рамках работы над проектом 97-05-65802 (руководитель А.А. Соловьев). Исследование проводится с помощью математической модели динамики литосферных блоков. Выполнено численное моделирование динамики блоковых структур, аппроксимирующих дугообразные зоны островных дуг. Обнаружена миграция искусственной сейсмичности вдоль дуги зоны субдукции. Рассмотрена структура, аппроксимирующая Зондскую дугу, и исследована зависимость свойств искусственной сейсмичности от параметров модели. Изучены численные модели динамики блоковой структуры под регионом Вранча (Румыния) с использованием результатов геодинамического моделирования мантийных потоков, вызванных погружением реликтовой плиты. Полученное распределение гипоцентров искусственных землетрясений хорошо согласуется с распределением гипоцентров реальных землетрясений региона. Исследованы группируемость землетрясений и фрактальные свойства последовательности моментов событий в искусственных каталогах, полученных в результате численного моделирования динамики для трех групп блоковых структур.

Мониторинг состояния геологической среды геофизическими методами

В последние годы двадцатого столетия в силу развития средств наблюдательных геофизических и геодезических приборов и сетей, а также новых методов компьютерной обработки информации появилась возможность организовать слежение за вариациями естественных полей Земли и развитием процессов активизации тектоносферы в пределах крупных регионов. Это направление является крайне перспективным для понимания глобальных закономерностей современной геодинамики. Успешное решение этой проблемы неразрывно связано как с дальнейшим совершенствованием аппаратурных (в первую очередь сейсмологических геодезических) методов наблюдений, так и с проведением теоретических обобщений, открывающих принципиальную возможность использования современных математических средств и моделей в практических приложениях при проведении численных и натурных экспериментов. Понятно, что мониторинговые проекты требуют больших затрат, непосильных для финансовых возможностей РФФИ. Поэтому такие исследования способны проводить коллективы, уже обладающие необходимой инструментальной базой наблюдательных приборов и вычислительного оборудования. Финансовая поддержка РФФИ является лишь дополнением к уже вложенным ранее средствам на создание и обслуживание научно-исследовательских мощностей. Естественно, подобных проектов сравнительно немного. В первую очередь к ним относятся следующие работы.

Активный сейсмический мониторинг как средство изучения геодинамики природных и техногенных процессов проводится в рамках проекта 97-05-65291 (руководитель Л.Д. Гик). Проведены исследования уравнений равновесия и движения в дискретных пористых средах с внутренним трением. Исследованы некоторые решения как в одномерном, так и в трехмерном вариантах. Получены неустойчивые решения уравнений равновесия в таких средах. Установлены особенности активного сейсмического мониторинга эксплуатируемых месторождений нефти и газа. Теоретические результаты приложены к развитию методики измерения неупругих характеристик горных пород в лабораторных и полевых условиях. В качестве шага к реализации метода активного сейсмического мониторинга в решении задач нефтяной геофизики были проведены работы по изысканию высокоточных методов измерения неупругих характеристик горных пород по данным акустического каротажа. В качестве примера были использованы волновые поля скважины Юрубченская-69 Юрубченско-Тохомской зоны Восточной Сибири. Впервые в практике акустического каротажа удалось получить расчленение глубинного разреза по величине пористости. Обоснованы рациональные требования к организации сетей возбуждения и регистрации долговременного активного сейсмического мониторинга. Предложен модульный принцип построения мощных стационарных дебалансных вибраторов как обладающих наиболее прецизионными и стабильными в долговременном плане характеристиками. Вместе с тем двухлетний практический опыт вибромониторинга выявил такие неожиданные сезонные эффекты, природа которых остается до конца не понятой. Показано, что сеть обычного сейсмологического мониторинга землетрясений может быть одновременно с успехом использована для активного вибросейсмического лишь при условии расширения динамического диапазона цифровых регистраторов в область малых сигналов до 120-130 дБ и дополнения ее спутниковой службой точного времени. Важно подчеркнуть, что практическая работа именно по такой модернизации сейсмологической сети в Сибирском отделении РАН уже проводится силами Геофизической службы. Разработаны требования комплексирования в единой сети пассивного и активного мониторинга, а также его интеграции с активными электрическими, магнитными и любыми другими методами геофизических наблюдений.

Изучение влияний внешних факторов на электропроводность, флюидный режим земной коры и сейсмичность Саяно-Байкальской области на основе данных мониторинга геофизических полей, математического моделирования и МТЗ являются предметом проекта 98-05-64213 (руководитель А.М. Попов). Комплексный сравнительный анализ пространственного и физического взаимоотношений аномалий электропроводности и упругих свойств в земной коре на примере Саяно-Байкальской области показал, что общность их природы основана на особенностях реологического состояния (хрупко-пластического) среды, а различие - в присутствии или отсутствии флюидной компоненты в трещинах. Выполнено трехмерное математическое моделирование деформаций пород земной коры под воздействием вариаций уровня воды в Байкальском водохранилище. Выполнен анализ корреляционных связей чисел Вольфа, сейсмического режима и уровня оз. Байкал. Получены уверенные корреляционные связи между ними. Триггерное воздействие уровня вод на сейсмичность объясняется изменением флюидного режима земной коры в результате проникновения байкальской воды в глубинные недра, что доказано на основе математического моделирования и анализа данных электромагнитного мониторинга земной коры методами глубинного зондирования (ГЗС), вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и геомагнитных исследований, проведенных на территории Южно-Байкальского геофизического полигона.

Исследование сейсмических шумов с целью мониторинга напряженного состояния среды проводится в рамках проекта 98-05-65443 (руководитель Л.Н. Рыкунов). Продолжены непрерывные наблюдения высокочастотного сейсмического шума (ВСШ) на одном пункте (п. Начики, Камчатка). Подготовлена и установлена модернизированная аппаратура для пункта "Родниковая". В оперативном режиме проводился анализ ВСШ с целью выявления вариаций определенных параметров в период подготовки сильных землетрясений. Предполагается, что значение фазы приливной компоненты ВСШ связано с тектоническими условиями в районе наблюдений, в частности, в течение 1-2 месяцев перед близким (R<250км) сильным (M>6.0) землетрясением наблюдается стабилизация фазы на определенном уровне. Подобное поведение фазы наблюдалось перед землетрясением 1 июня 1998 г. (М=6.6) в Авачинском заливе. Проведен полевой эксперимент по регистрации микросейсмического поля в районе Мутновского вулкана с целью локации источников микросейсмического излучения методами шумовой сейсмотомографии.

Разработка и совершенствование сейсмологических методов мониторинга современного геодинамического процесса Курило-Камчатской зоны проводятся в проекте 99-05-65149 (руководитель О.Е. Старовойт). Исследование строится на базе использования данных разноранговых сетей сейсмологических наблюдений. Главное внимание уделено анализу пространственно-временных вариаций сейсмичности: распределению временных интервалов между сильными землетрясениями, высвобождению сейсмического момента, особенностям группирования очагов. На фоне текущей сейсмичности выявляются закономерности форшоковой активизации перед сильными землетрясениями на основании изучения формы сейсмических записей и фокального механизма. Предусмотрено комплексирование геолого-геофизических и сейсмологических данных, обеспечивающее построение геодинамической модели процессов сейсмогенеза в земной коре и верхней мантии. На этой основе будет разработана последовательность "включения" перечисленных выше методов на разных этапах развития очага сильного землетрясения.

Прикладные аспекты геофизики и современной геодинамики

В силу фундаментальной направленности тематики поддерживаемых РФФИ проектов, чисто прикладные темы встречаются крайне редко. В то же время, результаты многих рассмотренных выше исследований имеют ясное практическое применение в областях оценки сейсмической опасности территорий и объектов, прогноза землетрясений, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Все же следует отметить некоторые разработки, которые по сути дела прямо направлены на получение практических результатов.

Структура и динамика сейсмогравитационных колебаний Земли в связи с задачей прогноза землетрясений рассматриваются в проекте 97-05-64186 (руководитель Л.Н. Петрова). Продолжены наблюдения сейсмогравитационных колебаний Земли. Проанализированы непрерывные наблюдения 1993 года на трех удаленных друг от друга станциях (Санкт-Петербург и две станции сети GEOSCOPE, расположенные под Магаданом - SEY - и во Франции - SSB). Выполнен спектральный анализ колебаний продолжительностью 4 и 6 суток, зарегистрированных перед и после землетрясений. Проведен анализ полученных спектров колебаний до землетрясений с учетом взаимного расположения станций и очага. В трех случаях из четырех обнаруженная структура спектра на станции, близкой к очагу, отражает картину интенсивного возбуждения, опережающего сейсмический разрыв на 30, 60 и 198 ч. Аналогичный анализ спектров колебаний после землетрясений выявил сдвиг интенсивных составляющих спектра в область более низких частот. Обнаруженное явление может быть использовано в целях прогноза землетрясений.

Исследование свойств очагов землетрясений на основе анализа записей объемных волн проведено А.А. Гусевым с коллегами (проект 97-05-65056). Исследовалось излучение очагом землетрясения высокочастотных квазислучайных сейсмических волн. Работа велась по следующим направлениям: (1) отработка алгоритмов восстановления импульса очаговой мощности и оценка параметров высокочастотного очага ; (2) изучение на этой основе сильнейшего (М=7.8) Кроноцкого землетрясения на Камчатке 05.12.1997; (3) изучение закона масштабирования очаговых спектров землетрясений Камчатки. Получены следующие результаты. 1. Новый способ обработки сигнала мощности объемных волн для снятия искажающих эффектов среды применен к записям мировой цифровой сейсмической сети GDSN. Разработана методика определения по набору импульсов мощности ряда интегральных параметров очага-излучателя. 2. На базе описанного подхода для Кроноцкого землетрясения проведено определение по телесейсмическим Р-волнам размера некогерентного очага (190 км), длительности очагового процесса (45-50 с), направления вспарывания очага (ЮЗ) и пр. На этой основе подтверждена оценка высокой (4 км/с) скорости вспарывания трещины-очага. 3. Впервые изучены свойства масштабирования очаговых спектров землетрясений Камчатки в диапазоне сейсмологически высоких частот 0.3-16 Гц для диапазона магнитуд 5-8 на основе записей сильных движений на Камчатке за 1969-1995 г. Выявлено существование масштабно-независимого спектрального "горба" на частотах 0,5-8 Гц.

Техногенный сейсмический режим районов размещения предприятий добывающей промышленности изучается в проекте 98-05-64547 (руководитель С.Б. Турунтаев). Рассмотрены случаи возбуждения техногенной сейсмичности в районах размещения предприятий добывающей промышленности, выполнен сравнительный статистический анализ параметров объектов разработки (таких, как глубины и интенсивность работ, геомеханические и флюидодинамические характеристики разрабатываемых горных массивов), работы на которых привели к возбуждению сейсмических событий, с параметрами других объектов, оказывающих сходное воздействие, но не вызвавших изменения сейсмических режимов. Построены фазовые портреты сейсмических процессов на Североуральском бокситном бассейне, Ромашкинском нефтяном месторождении. Установлены статистические параметры сейсмического режима на этих объектах, выявлены пространственно-временные структуры сейсмичности. В лабораторном эксперименте изучено возникновение арочных конструкций над областями декомпрессии в продуктивном пласте при добыче углеводородов.

Заключение

Подводя краткий итог анализу отчетов по геофизической тематике, можно заключить, что состояние рассмотренных работ производит в целом благоприятное впечатление. В большинстве работ получены интересные нетривиальные результаты. Имеется ряд проектов, результаты работ по которым сопоставимы с мировым уровнем. Исследования охватывают весь диапазон масштабов геологических объектов от глобального до локального, а также затрагивают основной набор геофизических полей и явлений. Создаются новые физические и математические модели, имитирующие строение основных структур Земли и их эволюцию, а также разрабатываются оригинальные методические подходы анализа геофизических данных. Поддержано несколько проектов, посвященных мониторингу вариаций геопотенциальных полей и геодинамических процессов. Делаются первые попытки разработки комплексной модели строения и развития крупных регионов нашей планеты на базе анализа последних достижений в области наук о Земле. Так, сейсмичность, геодинамика и металлогения мантийных диапиров (плюмов) Европы рассматриваются в проекте 99-05-65056 (руководитель Д.В. Рундквист). На основе комплексного анализа результатов геодезических, палеомагнитных методов и анализа механизмов землетрясений уточняются скорости и направления новейших и современных движений. Проводится типизация прогибов, впадин, рифтов и авлакогенов по сейсмическим данным и металлогении, при этом будут учитываться геологические, геоморфологические и геофизические критерии (отражение в гравитационном, магнитном, тепловом полях, в распределении и характере сейсмичности). В итоге намечены эволюционные ряды, отражающие различные стадии развития диапиров. С учетом данных сейсмической томографии разрабатывается трехмерная модель современных мантийных диапиров Средиземноморья и выявлены закономерности связи их эволюции с геодинамическими режимами. Показана их роль в распределении месторождений углеводородов и металлических полезных ископаемых. Работа проводится на основе ГИС-технологий в системе ARC/INFO с компьютерным моделированием взаимодействия плюмовой и блоковой динамики литосферы.

Такой подход можно уже назвать геономическим, а строящаяся на его основе плюм-тектоническая модель может претендовать на универсальность и постепенно придти на смену стареющей концепции тектоники плит.

Однако на фоне явных успехов очевидно и существование слабых мест в деле нетрадиционной финансовой поддержки фундаментальной науки. С организационной точки зрения крайне мешает работе исполнителей излишняя зарегулированность расходования средств по грантам. С научной точки зрения мало поддерживается проектов, направленных на масштабный сбор геофизических данных и на крупное обобщение геолого-геофизических материалов.

Продолжает развиваться наметившаяся ранее тенденция ослабления экспериментальных исследований (как натурных, так и лабораторных) вследствие недостаточного финансирования. Это связано с необходимыми дорогостоящими затратами на оснащение современными приборами геофизических исследовательских коллективов и с большими расходами на организацию полевых работ геофизического профиля. Так, практически нет проектов, посвященных построению глубинных сейсмических разрезов с целью изучения структуры земной коры. Мало работ затрагивает вопросы комплексной интерпретации геофизических данных для построения моделей глубинного строения литосферы в условиях разных геодинамических (эндогенных) режимов территории России.

Тревожит нарастание количества проектов, посвященных компьютерному, численному моделированию на основе эмпирических данных, часто неполных, фрагментарных, собранных другими исследователями. Не всегда ясна задача такого моделирования. Часто утрачиваются ранее разработанные требования к подобию моделей и имитируемых природных объектов, что делает подобное моделирование оторванным от решения реальных задач современной геодинамики. Чисто расчетные методы для описания поведения материала земной коры и более глубоких геосфер работают ненадежно. В то же время неоднородная литосфера Земли и ее внутренние сферы слишком сложны для аналитического описания и часто скрыты в глубинах, недоступны для непосредственного полевого изучения. Поэтому экспериментальный подход совершенно необходим как в качестве основы для построения новых физических моделей, так и в качестве контроля для проверки достоверности теоретических, умозрительных построений.

Другой тревожный момент - недостаточное внимание к междисциплинарным проектам. Довольно трудно успешно пройти конкурс проектам на грани наук: геологии и биологии, тектоники и космогонии, океанологии и геодинамики и др., поскольку эксперты РФФИ, слабо ориентируясь в "чужой" науке, обычно оценивают такие работы крайне низко. А ведь на стыках наук могут лежать значительные открытия.

Очень мало исследований, посвященных применению результатов фундаментальных разработок в практических целях. Здесь хотелось бы видеть проекты, ориентированные на методическое обеспечение геофизическими данными работ по наращиванию запасов топливно-энергетического и рудного сырья, на развитие методов оценки геологической и сейсмологической опасности строящихся ответственных объектов (трубопроводов, электростанций, крупных заводов), на совершенствование подходов к более полному и экологически чистому извлечению полезных ископаемых. А ведь такие проекты могли бы снискать источники финансирования не только за счет средств РФФИ, но и параллельно из средств заинтересованных ведомств. В последние годы потребности промышленности в таких исследованиях неуклонно возрастают. Поэтому фундаментальная наука должна откликнуться на эти насущные потребности экономики. Тем самым возрастет востребованность научных исследований со стороны общества.

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center