Геоэлектромагнитные исследования по грантам РФФИ

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

ГЕОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ГРАНТАМ РФФИ

Профессор Б.С. Светов
Институт геоэлектромагнитных исследований ОИФЗ РАН

1. Изучение геоэлектрического строения Земли. 2. Разработка информационно-математического обеспечения геоэлектрики. 3. Изучение электромагнитными методами геодинамических и иных процессов (э. м. мониторинг). 4. Изучение "неклассических" явлений в геоэлектрике.

Методы геоэлектромагнитных исследований (методы геоэлектрики и электроразведки) чрезвычайно разнообразны как по своим целям, так и по физико-математическим и методологическим основам [Б.С.Светов, М.Н.Бердичевский, Электроразведка на современном этапе. Геофизика, №2,1998. Москва]. Эти методы привлекаются к решению фундаментальных геолого-геофизических задач (глубинное строение Земли, происходящие в ней геодинамические и иные процессы) и широко используются в практике прикладных исследований (поиски и разведка нефтегазовых, угольных и рудных месторождений, гидрогеологические, экологические и инженерно-геологические задачи). Часть из них базируется на строгой физико-математической основе - электродинамике сплошных сред (методы классической геоэлектрики), что позволяет вывести интерпретацию полученных ими результатов на количественный уровень. Это различные варианты электромагнитного (э. м.) зондирования и профилирования, радиоволновые методы и т.п. В других методах (неклассической геоэлектрики) изучаются экспериментально наблюдаемые явления, не вписывающиеся в рамки электродинамики и обязанные своим существованием специфике исследуемой геологической среды. Последняя, как известно, представляет собой сложную энергетически открытую гетерогенную и полифазную систему, находящуюся в локально неустойчивом состоянии. В такой системе наблюдаются энергетические переходы одних геофизических полей в другие, значимые изменения свойств среды при слабых воздействиях ("триггерные" эффекты) и другие странные с классической точки зрения явления. К неклассической геоэлектрике относятся как ставшие уже традиционными методы естественного электрического поля и вызванной поляризации, так и новые методы, появившиеся или получившие новый импульс к своему развитию за последние годы (высокоразрешающая электроразведка, сейсмоэлектрические методы, электромагнитный мониторинг). Неклассическая геоэлектрика открывает новые перспективы к более тонкому изучению строения геоэлектрической среды и происходящих в ней геодинамических и иных процессов.

Столь разнообразные методы геоэлектромагнитных исследований, естественно, находятся на различном уровне своего развития. Соответственно, перед их разработчиками стоят различные, в том числе фундаментальные, задачи, определяющие полноту и ценность поставляемой этими методами геофизической и геологической информации. В той или иной мере эти задачи нашли свое отражение в работах, проводимых на основе грантов РФФИ. Уже одно это обстоятельство свидетельствует о том, что система поддержки отечественных научных исследований РФФИ оправдывает себя. Можно выделить несколько основных направлений, вокруг которых сосредоточено большинство проектов РФФИ по разделу геоэлектромагнитных исследований. Это 1) изучение геоэлектрического строения Земли на континентах и океанах, 2) разработка информационно-математического обеспечения геоэлектромагнитных исследований, 3) изучение геодинамических и иных происходящих в Земле процессов, 4) изучение проблем неклассической геоэлектрики. По-видимому, целесообразно и обзор проектов РФФИ провести в рамках этих же направлений.

1. Изучение геоэлектрического строения Земли. Основные работы в этой области связаны с изучением глубинного (от первых километров до границы ядро-мантия) строения Земли и использованием для этих целей наиболее глубинных методов геоэлектрики: магнитотеллурического (МТ) и магнитовариационного (МВ) зондирований. Большинство этих работ, так или иначе, связано с изучением одной из наиболее интересных особенностей строения литосферы - проводящих коровых слоев. До сих пор не ясно, образуют ли эти слои единую сферическую оболочку Земли или имеют "островной" характер, в каких пределах изменяются их геоэлектрические (глубина, мощность) и электрические параметры и главное - какова природа их проводимости, связана ли она с наличием на глубине проводящих твердых минералов (графита, сульфидов) или имеет флюидную природу. В последнем случае также остается не ясным, откуда на глубине в 10-30 км взялась вода: пришла ли она сверху, из выпадающих на Землю осадков ("метеорная" гипотеза) или, наоборот, поднялась снизу, выделившись в результате дегидратации из горных пород. Эти противоположные точки зрения, в частности, отражаются в отчетах по грантам 96-05-65830 (Э.Б.Файнберг. Природа коровых проводящих зон древних платформ и механизм их электромагнитного возбуждения. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк, Московской области) и 96-05-64084 (М.Н.Бердичевский. Исследование зависимости сейсмического режима земной коры от ее геоэлектрического и скоростного разрезов. МГУ, Геологический факультет, Москва). От решения этого вопроса зависит правильное понимание процесса флюидодинамики в литосфере, возможная генетическая связь проводящих зон с месторождениями полезных ископаемых и областями повышенной тектонической активности. В работе М.Н.Бердичевского обосновывается даже новая "метаморфогенная" модель образования очагов землетрясений в результате дегидратации горных пород в условиях резко неоднородного по своим петрофизическим свойствам разреза.

Ряд грантов посвящен проведению глубинных МТ исследований и анализу полученных результатов на региональном уровне. Здесь в первую очередь следует упомянуть работу А.А.Ковтун (грант 95-05-14754. Магнитотеллурические исследования электропроводности коры и мантии восточной части Балтийского щита. СПбГУ. НИИ физики, С.-Петербург). Исследования по гранту носили комплексный аппаратурно-методический и экспериментально-теоретический характер, что в наше время является редким достоинством геофизических работ. В рамках гранта разработана аудио-магнитотеллурическая станция, позволяющая проводить измерения в диапазоне частот 8-1000 Гц, что в совокупности с обычной МТ аппаратурой предоставляет возможность осуществлять МТ зондирования в чрезвычайно широком диапазоне периодов 10-3104 с. Это не только расширяет круг геологических задач, решаемых МТЗ, но и существенно повышает достоверность их интерпретации. В этом диапазоне частот были проведены МТЗ на профиле, пересекающем границы различных геоблоков, установлено их существенно различное геоэлектрическое строение и, в частности, различные глубины и продольные проводимости коровых проводящих слоев. Интерпретация полученных данных проводилась с использованием разработанных по проекту программ 3Д моделирования МТ поля. Проводились МТ исследования или обобщались и интерпретировались ранее полученные результаты в других регионах: в Черноморско-Эгейском регионе (Л.М.Абрамова, грант 94-05-17602. Геоэлектрические исследования в Черноморско-Эгейском регионе. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк, Московской области), на Камчатке (Ю.Ф.Мороз, грант 94-05-16402. Глубинная геофизическая модель Камчатки. ИВТиГ ДВОРАН, Петропавловск-Камчатский), на Русской платформе (Э.Б.Файнберг, грант 94-05-16113. Комплексная интерпретация коровых аномалий электропроводимости (по данным Международного проекта "Европроба"). ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк, Московской области). Из этого круга работ выделяется грант 95-05-14640 (Д.Ю.Абрамова. Изучение структуры глубинной электропроводимости Тихоокеанского региона. ИЗМИРАН, Троицк, Московской области), в котором на основе спутниковых данных получены кривые МВ зондирований для двух областей этого региона, отражающие изменение проводимости Земли вплоть до границы ядро-мантия. Установлено немонотонное возрастание проводимости мантии с глубиной и ее латеральная неоднородность. Также несколько особняком стоят работы по гранту 96-05-66183 (Л.Л.Ваньян. Исследование естественного электрического поля в Японском море с использованием подводного кабеля. ИО РАН, Москва). Десятилетие назад привлекавшие широкий интерес морские (в частности, донные) геоэлектрические исследования в настоящее время в силу известных финансовых причин, связанных с высокой стоимостью морских экспериментов, стали раритетом. В связи с этим учеными изыскиваются разнообразные возможности получить ценный экспериментальный материал без больших затрат. Одну из таких возможностей предоставляет использование подводных кабелей, ранее проложенных с другими целями (целями связи), а в настоящее время не используемых по прямому назначению. Участникам гранта удалось получить доступ к одному из таких кабелей, проложенных через Японское море от г. Находка к берегу Японии, и организовать с его помощью долговременные наблюдения вариаций электрического поля. Эти вариации имеют двоякое происхождение: с одной стороны, они содержат обычную для суши МТ составляющую, а с другой стороны, обусловлены вариациями движения морской воды в геомагнитном поле. Разделив эти вариации и воспользовавшись данными береговых магнитных обсерваторий, авторам отчета удалось построить кривую МТЗ и с ее помощью оценить важный геоэлектрический параметр - интегральное поперечное сопротивление литосферы Японского моря.

2. Разработка информационно-математического обеспечения геоэлектрики. В этом разделе мы будем касаться только работ, направленных на обеспечение потребностей в интерпретации данных классической геоэлектрики (раздел 1), аналогичные работы в русле проблем э. м. мониторинга и неклассической геоэлектрики будут рассмотрены в рамках соответствующих разделов. Одним из основополагающих методологических принципов классической геоэлектрики является принцип моделирования изучаемых полей и сред. Моделирование позволяет устанавливать соответствие между экспериментальными данными и теоретическими представлениями, планировать исследования и определять их оптимальную стратегию. Оно является составной частью любой процедуры и технологии решения обратной задачи и более общей задачи интерпретации. Обратные задачи в общем случае некорректны. Это означает, в частности, что сколь угодно малая погрешность в экспериментальных данных может привести к как угодно большим погрешностям в результатах интерпретации. Отсюда вытекает необходимость в регуляризации обратных задач с учетом имеющейся априорной информации. Все возрастающие потребности в детальной интерпретации достаточно сложных геоэлектрических разрезов предъявляют все более высокие требования к качеству соответствующих алгоритмов и к ресурсам компьютерного обеспечения и технологии решения обратных задач. Одновременно все большую роль начинает играть эффективная регуляризация решаемых обратных задач. Работы по грантам, связанным с информационно-математическим обеспечением геоэлектрики уделяют этим вопросам достаточно много внимания. Как правило, они выполнены на высоком современном уровне и вполне конкурентны с аналогичными зарубежными исследованиями.

Значительная часть работ по этому направлению сконцентрирована в Институте геоэлектромагнитных исследований ОИФЗ РАН. В определенной мере типичны для этого направления гранты И.М.Варенцова (93-05-08387. Современный анализ, стандартизация и интеграция информационных технологий метода МТЗ Земли. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк) и Н.Г.Голубева (95-05-15066. Разработка методов и технологии решения многомерных задач э. м. зондирования Земли для площадных систем наблюдений. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк). В этих грантах разрабатывается и совершенствуется обладающая широкими возможностями система интерпретации данных площадных МТЗ. Эта система включает в себя процедуры препроцессинга и обработки наблюденных данных, быстро и устойчиво сходящихся итерационных методов решения систем конечно-разностных уравнений большой размерности (прямая задача), формализованной или интерактивной инверсии одномерных, двумерных и трехмерных задач с несколькими сотнями оптимизируемых параметров, аппарат визуализации и трансформации входных и выходных данных. Разработка ориентирована на использование персональных компьютеров. Накоплен большой опыт практической интерпретации профильных и площадных данных. Сходные задачи решаются и в гранте В.В.Спичака и С.А.Акопьянца (94-05-17603. Разработка информационно-вычислительных средств и компьютерных технологий анализа и интерпретации данных э. м. исследований. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк). Хотя положенный в основу моделирования алгоритм здесь принципиально иной (метод поверхностных интегральных представлений в сочетании с конечно-разностной аппроксимацией дифференциальных уравнений внутри неоднородности), разработанное в рамках этого гранта программное обеспечение интерпретации МТЗ представляет пользователю близкие возможности. Основной упор в этом гранте сделан на решение трехмерных задач. Исследования И.М.Варенцова, Н.Г.Голубева и В.В.Спичака пользуются заслуженным международным признанием. В связанных между собой грантах А.В.Кувшинова (93-05-08061. Диффузионно-волновая разведка неоднородных сред. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк) и О.В.Панкратова (96-05-66006. Исследование и моделирование диффузионно-волновых ЭМ полей в трехмерно-неоднородных трещиноватых средах. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк) разрабатывается новый метод моделирования э. м. полей, основанный на итерационном решении интегральных уравнений э. м. поля. Показано, что последовательные приближения, реализуемые в этом методе, при некоторой модификации этих уравнений сходятся к истинному решению в общем случае с учетом токов смещения в Земле и окружающем пространстве. К настоящему времени этот метод реализован в виде достаточно универсальной программы для персональных компьютеров, допускающей анизотропию в неоднородностях разреза. В другом гранте А.В.Кувшинова (97-05-65725. Э. М. индукция в сферической Земле, содержащей неоднородные Мировой океан и неоднородную мантию. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк) разработаны методы решения глобальных и региональных задач для сферической Земли, содержащей неоднородные поверхностный и глубинный слои, в поле реальных источников Dst и Sq вариации. Эти решения реализованы в виде соответствующих программ для РС.

Принципы интерпретации задач МТЗ в неоднородных средах с достаточно общих позиций анализируются в гранте А.С.Барашкова (96-05-64340. Развитие методов интерпретации данных глубинного магнитотеллурического зондирования квазислоистых сред при наличии глубинных разломов. МГУ ВМиК, Москва). Сильной стороной этой работы является обоснование методологического подхода к интерпретации и, в частности, ее бимодальной (с использованием ТЕ и ТМ мод) схемы, а также доказательство некоторых общих принципиальных утверждений (условий существования инвариантного относительно токовых систем импеданса и дисперсионных отношений). В отношении компьютерно реализованных технологий интерпретации результаты работ по гранту выглядят скромнее по сравнению с рассмотренными выше. В гранте П.С.Мартышко (95-05-14508. Математическая теория и методы решения нелинейных обратных задач э. м. геофизических полей. ИГ УрО РАПН, Екатеринбург) развивается разрабатываемый в Екатеринбургском ИГ метод двух- или трехэтапной интерпретации. На 1 этапе находятся сингулярные источники внутри Земли, аппроксимирующие наблюденное э. м. поле, а на 2 этапе определяются семейства границ областей с разными электрическими свойствами и сами свойства. В отличие от всех выше рассмотренных этот грант не ориентируется только на задачу МТЗ, в разрабатываемом программном обеспечении предусматриваются и контролируемые возбудители поля. К сожалению, аппарату интерпретации данных э. м. исследований с контролируемыми источниками в работах при поддержке РФФИ уделяется незаслуженно мало внимания, что существенно ограничивает прикладное, да и фундаментальное значение этих работ. Интерпретации данных методов постоянного тока посвящен грант И.Н.Модина (94-05-17398. Выявление и устранение искажений электрического поля постоянного тока, вызванных приповерхностными неоднородностями. МГУ, Геологический факультет, Москва). В этом интересном исследовании обстоятельно анализируется влияние поверхностных неоднородностей, обосновываются приемы ослабления и устранения этого влияния и, в конечном счете, предлагается компьютерная технология интерпретации данных, полученных методами постоянного тока. Моделированию постоянного поля системы точечных источников в трехмерно неоднородной среде, в основном, посвящен и грант М.Л.Бахмутского (95-05-15715. Могут ли системы локальных и региональных проводников в осадочном чехле и фундаменте создать эффекты коровых проводящих зон. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк). На основе оригинального численного метода разделения переменных автору удалось существенно увеличить сетку, на которой проводятся расчеты до 251-301 узлов по направлению что позволяет детально моделировать достаточно сложные разрезы. Предпринимаются попытки расширить область применения метода на переменные э. м. поля. Однако в полученных результатах этого интересного исследования трудно усмотреть связь с заявленным названием гранта. В еще одной работе, связанной с интерпретацией данных контролируемых источников (96-05-64387. А.А.Жамалетдинов. Влияние ионосферы на результаты глубинных э. м. зондирований Земли с мощными контролируемыми источниками поля. ГИ КНЦ РАН, Апатиты), обращается внимание на недооцениваемое влияние токов смещения и ионосферы на распространение низкочастотных э. м. полей, когда их измерение производится на весьма больших расстояниях от источника. В работе приводятся результаты расчетов, показывающие, что это влияние может быть очень значительным. Проведенные теоретические исследования подтверждаются результатами экспериментальных измерений, выполненных на расстояниях в 700-800 км от источника.

3. Изучение электромагнитными методами геодинамических и иных процессов (э. м. мониторинг). Как уже отмечалось, в результате эндогенных или экзогенных воздействий электрические свойства геологической среды могут значительно изменяться. С другой стороны, под влиянием тех же воздействий (прежде всего, под действием механических напряжений) в ней могут генерироваться э. м. поля. Природа таких механо-электрических преобразований весьма разнообразна. Это и обычный пьезоэлектрический эффект, и динамический тектономагнитный эффект, связанный с перестройкой доменной структуры ферри- и ферромагнитных минералов, и электрокинетические процессы в пористых водонасыщенных горных породах, и разнообразные явления, обусловленные движением дислокаций в кристаллическом веществе при пластических деформациях, и электризация горной породы при ее разрушении, и много другое. Как изменения электрических свойств геологической среды (эффект 1 рода), так и изменения интенсивности генерируемых в ней э. м. полей (эффект 2 рода) под воздействием механических напряжений могут служить объективной основой для изучения (мониторинга) протекающих в Земле геодинамических процессов. Конечной целью такого мониторинга, как правило, предполагается предсказание землетрясений и других катастрофических событий как природного, так и техногенного происхождения.

Большинство работ, выполненных или проводящихся при поддержке грантов РФФИ по этому направлению, сконцентрированы вокруг исследований эффекта 2 рода. Изучаемый в связи с проблемами геодинамики частотный спектр э. м. полей охватывает в различных работах весьма широкий диапазон от 10-4 до 106 Гц. В области высоких частот (десятки кГц и выше) э. м. поля внутриземного происхождения носят импульсный характер, для генерации таких полей, а в дальнейшем и для методов их наблюдения используется исторически сложившийся термин э. м. излучения (ЭМИ). Этот термин не слишком удачно нередко применяется и в отношении низкочастотных полей внутриземного происхождения, хотя последние и по своей морфологии, и по природе существенно отличаются от высокочастотных. Вопрос о природе ЭМИ (в широком смысле) носит фундаментальный характер, от его решения зависят и методика, и интерпретация и, вообще, эффективность прогностических работ. В некоторых грантах, по-видимому, обоснованно принимается предположение о множественности механизмов генерации э. м. полей внутреннего происхождения (гранты М.Б.Гохберга. 94-05-17039. Исследования природы механо-электро-магнитных эффектов в сейсмогенерирующих процессах. ОИФЗ РАН, Москва, и В.Т.Левшенко. 96-05-64404. Экспериментальное и теоретическое исследование генерации импульсных электромагнитных сигналов при образовании магистрального разрыва в очаге землетрясения. ОИФЗ РАН, Москва). Однако эти гранты грешат некоторой формализованностью и схематичностью своего подхода к этому вопросу. В других грантах, наоборот, детально исследуются конкретные механизмы механо-электрических преобразований. В интересной работе С.М.Крылова (97-05-64488. Естественное сверхнизкочастотное (0,001 - 5 Гц) э. м. излучение геологической среды как индикатор тектонической активности региона и явление, предшествующее землетрясению. ОИФЗ РАН, Москва), наверное, излишне категорично утверждается, что "единственным возможным механизмом генерации излучения является дискретное перемагничивание горных пород под влиянием вариаций тектонических напряжений". В этой работе обсуждается и находит свое решение (одно из возможных решений) другой важный для низкочастотных э. м. исследований вопрос о дискриминации полей внутреннего и ионосферного происхождения и о подавлении последних. Дискриминация базируется на специфической морфологии прогностических сигналов, а подавление э. м. полей ионосферного происхождения осуществляется аппаратурно-методическими средствами - с помощью пространственно-дифференциальной схемы измерения э. м. полей. Исследования по этому гранту базируются на серии не слишком долговременных наблюдений вариаций магнитного поля в разных точках земного шара: на Камчатке, в Средней Азии, Приморье, Архангельской и Калужской областях, Белоруссии, США. В отчете по гранту предлагается способ оценки тектонической активности, основанный на вычислении интенсивности изучаемого дифференциального сигнала за некоторые промежутки времени, однако, каких-либо статистически достоверных прогностических результатов не приводится. В другой работе (грант 95-05-25754. Б.С.Светов. Развитие методов обработки и интерпретации данных ЭМ мониторинга геодинамических процессов. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк, Московской области) генерация э. м. полей внутриземного происхождения в диапазоне 10-104 с рассматривается как результат электрокинетических процессов в водонасыщенных пористых горных породах. Подавление внешних (МТ) полей в этой работе осуществляется путем обработки наблюдаемых 5 компонент естественного э. м. поля с помощью аппарата передаточных функций и выделения на этой основе остаточного поля внутреннего происхождения. Это - единственная работа, в которой для целей мониторинга геодинамических процессов предлагается использовать эффекты как 1 рода (изменение передаточных функций МТ поля, отражающих геоэлектрический разрез), так и 2 рода (остаточные поля внутреннего происхождения). На основе анализа режимных наблюдений МТ поля, выполненных в течение нескольких лет на одном из пунктов Бишкекского прогностического полигона, показывается, что как передаточные функции МТ поля, так и интенсивность остаточного поля существенно изменяются на интервалах от нескольких часов до нескольких месяцев, однако, установить однозначную связь этих изменений с землетрясениями пока не удалось. Разработка сходного по своей идеологической основе, но реализуемого с помощью глубоководных стационарных установок, метода предусматривается в другом гранте (97-05-61312. В.С.Шнеер. Разработка новых э. м. методов изучения строения и динамики литосферы с использованием глубоководных стационарных установок. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк). Работы по этому гранту пока находятся в подготовительной стадии. Пожалуй, единственной работой, в которой содержатся достоверные прогностические результаты, является грант В.А.Моргунова (95-05-14977. Электромагнитные процессы в нагруженных горных породах. ОИФЗ РАН, Москва). На основе шестилетних наблюдений ЭМИ на частотах в десятки кГц в 3 пунктах Кав.-Минводского прогностического полигона было показано, что в условиях не слишком высокой фоновой тектонической активности (М=3-4) удается предсказывать более сильные землетрясения с вероятностью 0,8 за несколько часов до их наступления. Этот результат, хотя и менее статистически обоснованно, подтверждается наблюдениями ЭМИ на о. Шикотан. Участники гранта указывают на решающее значение для эффективности сейсмопрогностических работ выбора пункта наблюдения. На основе лабораторных и полевых исследований ими делается вывод о связи сигналов ЭМИ в использованном частотном диапазоне с дислокационными процессами в горных породах, развивающимися на стадии лавинной ползучести (с пластическими, а не разрушающими деформациями). Это представляется важным аргументом для того, чтобы рассматривать высокочастотное ЭМИ как возможный (в определенных геолого-тектонических условиях) оперативный предвестник землетрясений.

Другая область приложения э. м. мониторинга с использованием низкочастотных полей - это слежение за режимом морских течений. Движение проводящей морской воды в постоянном магнитном поле Земли приводит к появлению под действием силы Лоренца электрического тока и связанных с ним напряженностей электрического и магнитного полей. Проведенные оценки показывают, что возникающие при изменении режима течений вариации электрических и магнитных полей вполне измеримы с помощью как донных, так и береговых электрических линий и магнитометров. Первый вариант был реализован в уже рассматривавшемся гранте Л.Л.Ваньяна, в рамках которого было показано, что при режимных наблюдениях электрического напряжения на кабеле, проложенном по дну Японского моря, удается, помимо геоэлектрических результатов, получить данные об изменчивости течений в Японском море. Эта работа продолжается по гранту (98-05-64654. Д.М.Ренат. Использование долговременных измерений разности потенциалов на подводных кабелях для исследования изменчивости течений в Японском море. ИО РАН, Москва). Другое направление обосновывается в грантах В.С.Шнеера (94-05-17417. Геофизический эксперимент по геоэлектромагнитному мониторингу межокеанического водообмена через Берингов пролив. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк) и В.А.Матюшенко (97-05-65950. Разработка нового метода э. м. мониторинга водообмена Белого и Баренцева морей. ИЭПС УрО РАН, Архангельск). Пока основные результаты работы по этим грантам ограничиваются математическим моделированием. Это весьма важная часть работы, так как наблюдаемые вариации поля зависят от электрических свойств подстилающей толщи и берегов "канала", по которому переносятся водные массы, а также от формы последнего. Правильная интерпретация экспериментальных данных существенно зависит от того, насколько полно будут учтены все эти обстоятельства. Практические измерения по гранту В.А.Матюшенко начаты в 1998 году. Из теоретико-вычислительных работ, связанных с расчетами э. м. полей, порождаемых движением вод в морях и океанах, стоит обратить внимание на грант И.В.Егорова (96-05-66182. Изучение э. м. полей, индуцируемых крупномасштабной циркуляцией Мирового океана, на основе численного моделирования. ИО РАН, Москва). В рамках этой работы выбрана численная модель глобальной циркуляции вод Мирового океана, построена модель глобальной электропроводности Земли, и на основе этих моделей проведены числовые расчеты э. м. полей, порождаемых глобальной циркуляцией. В результате получены количественные оценки пространственного распределения электрического поля и выделены районы наиболее благоприятные для э. м. мониторинга течений.

4. Изучение "неклассических" явлений в геоэлектрике. Как уже отмечалось выше, методы "неклассической" геоэлектрики изучают э. м. явления, связанные со специфическими особенностями строения геологической среды и ее энергетического состояния. Специфика строения геологической среды на уровне горной породы заключается в том, что последняя представляет собой пористую флюидонасыщенную систему. В такой системе в результате избирательной адсорбции ионов из жидкости как твердая, так и жидкая фазы становятся заряженными при сохранении нейтральности горной породы в целом. Перенос зарядов (электрический ток) в жидкой фазе осуществляется не только электрическим полем (миграционный ток), но и под действием возникающих в ней градиентов концентрации ионов (ионно-диффузионный ток, ток вызванной поляризации) и внутрипорового давления (ток обратного электроосмоса, ток течения). При наличии в породе сред с электронной проводимостью возникают дополнительные сторонние электрические поля электрохимического происхождения. В такой среде становятся возможными взаимные переходы одних геофизических полей в другие (например, сейсмического поля в электрическое и обратно), частотная дисперсия электрических свойств (вызванная приложенным полем поляризация среды) и разнообразные электрохимические явления. Специфика энергетического состояния геологической среды заключается в том, что последняя обладает громадной потенциальной энергией (прежде всего механической, а также химической, электрической и др.). В силу гетерогенного строения горной породы и Земли в целом эта энергия распределена чрезвычайно неравномерно, что приводит к локальной энергетической неустойчивости такой системы. Слабые воздействия на такую среду (природного или искусственного происхождения) могут приводить к значимым изменениям свойств системы (например, к изменению ее геоэлектрического разреза). Столь специфические свойства геологической среды позволяют геофизикам получать более тонкую информацию, как о ее строении, так и о протекающих в ней процессах. Получение такой информации и составляет основную цель методов неклассической геоэлектрики. Анализ всех этих неклассических явлений с достаточно общих позиций проводится в рамках гранта 97-05-64103 (Б.С.Светов. Изучение неклассических явлений в геоэлектрике и совершенствование на этой основе методологии геоэлектромагнитных исследований. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк). Основное внимание в этой работе уделяется изучению влияния низкочастотной дисперсии (НЧД) электрических свойств горных пород и сейсмоэлектрическому эффекту 2 рода. На основе математического моделирования изучено влияние НЧД на результаты э. м. зондирований и показано, что она может привести к существенному изменению кривых зондирования становлением (ЗС) поля и повысить их разрешающую способность и глубинность, т.е. привести к эффектам, свойственным так называемой высокоразрешающей электроразведке (ВРЭ). Применительно к МТ зондированиям аналогичное исследование было проведено ранее в рамках гранта 93-05-8062 (М.Н.Бердичевский. Исследование влияния частотной дисперсии проводимости на результаты э. м. зондирований. МГУ, Геологический факультет, Москва). Вместе с тем, прямой перенос методов интерпретации классических ЗС на ЗС, осложненные НЧД, может привести к грубо ошибочным результатам. В этой же работе теоретически анализируется сейсмоэлектрический эффект (СЭЭФ) 2 рода, развивающийся в пористых водонасыщенных горных породах, и формулируется система краевых задач, приближенно описывающих это сложное явление. Проблеме НЧД посвящены работы по нескольким другим грантам: 95-05-14174 (Ф.М.Каменецкий. Электромагнитное поле Земли с учетом дисперсии ее оболочки. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк), 95-05-14756 (С.С.Крылов. Исследование частотной дисперсии электрических свойств мерзлых пород. НИИФ СПбГУ, Санкт-Петербург), 96-05-64591 (Д.С.Даев. Исследование закономерностей и механизма частотной дисперсии горных пород и влияния частотной дисперсии на поведение э. м. полей, применяемых для исследований Земли, МГГА, Москва), 95-05-15044 (В.В.Сочельников. Исследование нового геофизического явления - индукционно вызванной поляризации (ИВП) морскими э. м. методами, ЮО ИО РАН, Геленджик). В первой из них для модели сферической Земли, окруженной поляризующейся оболочкой, были выполнены расчеты для различных постоянных времени поляризации и было показано, что частотная дисперсия электрических свойств оболочки (корового слоя) может привести к существенным искажениям кривых глубинных МТЗ. В гранте С.С.Крылова НЧД электрических свойств мерзлых горных пород увязывается с теорией перколяции и показывается, что только с учетом этой теории можно объяснить аномально высокую поляризуемость мерзлых пород в частотном диапазоне 10-100 кГц. Показано также, что строение мерзлых пород носит фрактальный характер, и проведены оценки фрактальной размерности экспериментально полученных кривых индукционного профилирования. Все теоретические исследования тесно связаны с экспериментальными работами на участках развития мерзлых пород, в частности, на Бованенковском газоконденсатном месторождении (полуостров Ямал). В работе, выполненной под руководством Д.С.Даева, изучение НЧД геологической среды построено на сочетании лабораторно-экспериментальных и теоретических исследований. Лабораторные исследования на образцах горных пород проводятся как в частотной, так и во временной областях. В теоретической области наибольший интерес представляет решение задачи для плоской ячейки двухфазной среды (трещины) в поперечном электрическом поле, на его основе выявлены особенности, вносимые в НЧД двухфазностью среды по сравнению с частотной дисперсией монофазной гетерогенной среды (эффект Максвелла - Вагнера). В результате математического моделирования э. м. зондирований над диспергирующим полупространством установлена решающая роль вида источника и приемника поля (электрические или магнитные диполи) на соотношение индукционной и поляризационной составляющих в кривых таких зондирований, указывается, что при использовании обоих источников и приемников поля можно рассчитывать на единственность решения обратной задачи э. м. зондирований поляризующейся среды. В работе П.О.Барсукова (97-05-64338. Природа связей эффектов вызванной поляризации с динамикой тектонически активных зон. ИГЭМИ ОИФЗ РАН, Троицк) обращается внимание на изменение поляризуемости верхней части геологического разреза во времени. При индукционном возбуждении и приеме поля поляризуемость среды четко проявляется на кривых становления поля на временах от 10 мкс до 1 мс. Вариации поляризуемости носят либо суточный характер, либо отмечаются в форме бухтообразных изменений в течение 1-4 часов. Природа первых из них связана с суточными изменениями гидрогеологического состояния среды, природа второго типа вариаций пока не ясна. В зависимости от геоэлектрического разреза района работы интенсивность вариаций изменяется в значительных пределах. Сам факт наличия вариаций поляризуемости во времени представляет безусловный интерес, хотя обозначенная в названии гранта связь с геодинамикой пока в проведенных исследованиях не просматривается. В гранте Сочельникова индукционно вызванная поляризация исследуется в морских условиях применительно к задаче поиска углеводородных месторождений. Особое внимание уделяется анализу осцилляций, осложняющих кривые становления поля. Их происхождение увязывается как с поляризационными явлениями в горных породах, так и с появлением в них вторичного сейсмоэлектрического эффекта.

Более глубокое изучение последнего эффекта участниками гранта продолжается в рамках другого проекта (98-05-64053. А.Г.Небрат, В.В.Сочельников. Исследование нового геофизического явления - вторичного сейсмоэлектрического эффекта - морскими э. м. методами. ЮО ИО РАН, Геленджик). Сейсмоэлектрические явления, развивающиеся в пористой водонасыщенной среде (осадочных горных породах), помимо вышеупомянутых грантов, изучаются в ряде других работ. Теории этого явления посвящена интересная и многогранная работа О.А.Хачай (94-05-16870. Теория, моделирование и интерпретация э. м. эффектов, связанных с движением заряженного флюида в неоднородной пористой среде. ИГФ УрО РАН, Екатеринбург). Активно эта проблема изучается в работах саратовских геофизиков: (95-05-14896. И.И.Хараз. Исследование взаимодействия упругих и э. м. полей на основе математического и натурного моделирования. НВ НИИГГ, Саратов), (96-05-64241. О.А.Агеева. Лабораторные и скважинные исследования сейсмоэлектрических эффектов 1 и 2 рода в горных породах. НВ НИИГГ, Саратов) и (98-05-64163. О.А.Агеева. Разработка физических и физико-математических основ сейсмоэлектрических методов изучения строения Земли и происходящих в ней процессов. НВ НИИГГ, Саратов). В первой из них подводится итог многолетним полевым экспериментам, связанным с изучением сейсмоэлектрического эффекта 2 рода - изменения геоэлектрического разреза под действием вибрационного возбуждения среды. Установлено, что в результате такого возбуждения геоэлектрический разрез значимо изменяется вплоть до глубин в несколько км, и эти изменения отчетливо фиксируются зондированием становлением поля. Сопротивление различных литологических толщ горных пород и геологических структур изменяется по разному. Наиболее сильно изменяются высокопористые и трещиноватые структуры, а также структуры, находящиеся в напряженном энергетическом состоянии. Участники работы высказывают гипотезу, что вибрационное воздействие на среду играет лишь роль "спускового механизма", а сами значительные изменения этой среды происходят за счет ее громадной потенциальной энергии и неустойчивого состояния. В этой же работе анализируются полевые экспериментальные данные по обратному электросейсмическому эффекту 1 рода - изменению сейсмического разреза при запитке среды электрическим током. Показано, что в результате действия электрического тока скоростные характеристики разреза могут изменяться. В продолжающих друг друга грантах О.А.Агеевой весьма интересные результаты были получены при лабораторных исследованиях сейсмоэлектрического эффекта 2 рода на образцах горных пород. Эти исследования проведены в широком спектре частот (от сотен Гц до 40 кГц) и выявили значимую зависимость интенсивности генерируемого механическими колебаниями э. м. поля от водонасыщенности породы, минерализации внутрипоровых вод и важных петрофизических параметров: пористости и проницаемости породы. Другим важным достижением этой работы является реальное наблюдение эффектов 1 и 2 рода в скважине при возбуждении упругого поля установленным у ее устья вибратором. Интенсивность обоих эффектов изменяется вдоль по скважине, локально отмечая участки разреза, различающиеся своими сейсмоэлектрическими свойствами. Проведенные и проводимые исследования подготавливают базу для нового вида каротажа скважин, способного дать ценную независимую информацию, представляющую особый интерес для промысловой нефтегазовой геофизики. Эффекту 1 рода посвящена и работа М.И.Эпова (95-05-15602. Изучение динамических изменений электропроводности геологических объектов, вызванных длительным вибровоздействием в низкочастотной области. ИГСО РАН, Новосибирск). На основе анализа многолетних результатов э. м. зондирований на площади, примыкающей к периодически работающему мощному вибратору, установлены временные изменения электропроводности терригенной толщи, связанные с вибровоздействием, и разработана методика определения глубины, на которых эти изменения происходят. В гранте С.А.Ефимовой (96-05-65619. Моделирование процессов совместного воздействия э. м. и упругим полями на газонефтяной пласт. ВНИИ Нефти, Москва) на основе лабораторных экспериментов показывается, что фильтрационные характеристики среды в результате э. м. и упругого воздействия могут существенно измениться. Это означает, что с помощью таких воздействий можно регулировать нефтеотдачу эксплуатируемых месторождений. Рассматривая всю совокупность работ, в которых изучаются сейсмоэлектрические явления в пористых флюидонасыщенных горных породах, можно прийти к оптимистическому заключению о том, что этими работами интенсивно подготавливается база для создания новых эффективных методов изучения геологической среды и происходящих в ней процессов.

В разделе, посвященном э. м. мониторингу, уже рассматривались работы, направленные на изучение высокочастотного импульсного э. м. излучения (ЭМИ). Этому же явлению, но применительно к задаче поисков полиметаллических руд посвящены два гранта В.М.Демина (94-05-17239. Исследование природы радиоимпульсного излучения на моделях полиметаллических рудных объектов. ОИФЗ РАН, Москва) и (97-05-64897. Экспериментальное исследование нелинейного преобразования упругих волн в радиоимпульсное излучение в рудах. ОИФЗ РАН, Москва). В отчетах по этим грантам на основе лабораторных исследований образцов таких руд или их моделей, находящихся в напряженном механическом состоянии, показывается, что в таких объектах действительно происходит преобразование энергии упругой волны в импульсное радиоизлучение, это преобразование носит нелинейный характер и наиболее интенсивно развивается в местах резкой неоднородности изучаемых образцов.

Во всех работах по неклассической геоэлектрике установленные в результате экспериментальных исследований явления осмысливаются или на достаточно общем физико-геологическом (нередко - гипотетическом) или на более строгом физико-математическом уровне. В результате уточняются качественные представления о природе явлений и разрабатываются подходы к их моделированию и интерпретации Это объективно отражает современный этап развития этого направления в геоэлектрике и существенно более высокую сложность теоретического рассмотрения неклассических явлений. Тем более значительными в этой связи представляются работы, в которых вопросы моделирования и интерпретации сейсмоэлектрических задач оказываются продвинутыми вплоть до возможности проведения необходимых расчетов и даже до решения обратных задач, хотя и в довольно ограниченной и конкретной постановке. К числу таких работ относится уже упомянутый грант О.А.Хачай и грант О.Б.Новика (95-05-14775. Сейсмогенный магнитотермоупругий эффект. МГГА, Москва). О.Б.Новик рассмотрел одну из возможных моделей сейсмо-электромагнитных трансформаций энергии, происходящих в результате геодинамического процесса (землетрясения). Она связана с движением под воздействием приходящих из очага землетрясения упругих волн находящейся в эпицентральном разрезе проводящей неоднородности. Для решения этой задачи ему пришлось не только рассмотреть полную нелинейную систему уравнений, описывающую взаимодействующие между собой упругие, э. м. и тепловые поля, но и разработать алгоритм и программу численного решения этой системы. Проведенные им расчеты позволили выявить ряд важных качественных закономерностей и получить числовые характеристики и визуализированные разрезы, описывающие распространение таких полей для этой модели. Числовые оценки их возмущений в результате акта землетрясения, показывают, что они вполне измеряемы с помощью современной аппаратуры.

Помимо обозначенных выше основных направлений, по которым ведутся работы при поддержке РФФИ, небольшая часть грантов изучает э. м. поля в связи с экологическими проблемами или хотя бы затрагивает их. К числу таких грантов относятся: (94-05-17265. Г.И.Молочнов. Исследование влияний пространственно-временных аномалий естественного э. м. поля Земли на жизнедеятельность и здоровье человека. НИИФ СПбГУ, Санкт-Петербург), (96-05-64907. П.М.Нагорский. Глобальное низкочастотное э. м. поле и техногенные э. м. загрязнения. ТомГУ СФТИ, Томск), (97-05-65133. Б.М.Либерман. Разработка радиофизических методов оценки степени химического загрязнения природных вод. ИРЭ РАН ФЧ, Москва). В двух грантах (96-05-66328. В.В.Бахтерев. Исследования вклада фазовых переходов в серпентинитах в формирование высокоэлектропроводных областей земной коры складчатых систем. ИГФ УрО РАН. Екатеринбург) и (96-05-65742. В.И.Постнов. Экспериментальные исследования электропроводности кристаллических веществ при высоких динамических давлениях. ИХФЧ РАН, Московская область) изучается влияние на проводимость горных пород различных физико-химических факторов.

Оценивая в целом исследования, проведенные при поддержке РФФИ по рассматриваемому направлению, можно констатировать, что они отражают наиболее важные и актуальные проблемы, которые в настоящее время стоят перед геоэлектрикой, и способствуют их успешному решению. Конечно, не все работы одинаковы по своему научному уровню, не всегда результаты исследований отвечают на поставленные в проектах вопросы, однако в большинстве случаев они удовлетворяют достаточно высоким критериям, предъявляемым к фундаментальным исследованиям, и в этом смысле их целевая поддержка безусловно оправдана. Лишь в очень редких случаях работы, выполненные по грантам РФФИ, вызывают чувство неудовлетворенности. В основном, оно связано с несоответствием заявленной цели гранта проблематике наук о Земле. Это относится, например, к гранту (97-05-66044. Б.П.Жуков. Научно-технические основы разработки плазменных топлив нового поколения для МГД-генераторов. РХТУ ОИГГМ, Новосибирск). Иногда отчеты, представляемые по грантам, грешат излишней лаконичностью или неконкретностью, бывает, что содержание отчетов отклоняется от заявленной в названии гранта темы, но все это - редкие издержки, не имеющие принципиального значения.

В заключение хотелось бы отметить, что рубрикацию грантов РФФИ по рассматриваемому направлению следовало бы изменить. В настоящее время она сводится к двум позициям: электромагнитные поля и электропроводность. Следовало бы их дополнить более общими, например, "геоэлектромагнитные исследования" или "геоэлектрика" и, может быть, более частными, например, соответствующими выделенным в проведенном обзоре разделам. Это будет способствовать участию в конкурсах РФФИ более широкого круга ученых и специалистов.

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