ГЕОФИЗИКА

В Байкальской рифтовой зоне институтами Геофизики ОИГГМ, Земной коры и Горного дела комплексом методов геофизического мониторинга выявлен эпизод преобладания близгоризонтальных деформаций сжатия, который имел место в 1992—1993 гг. Это свидетельствует о существенной неравномерности развития во времени современного рифтогенного процесса в этом регионе, на который оказывают влияние процессы на ближайших конвергентных границах Евразии. Эпизод сжатия был обнаружен по данным тектономагнитных наблюдений в центральной части Байкальской рифтовой зоны в Селенгинской депрессии (рис. 5.18, а). Результаты анализа изменений во времени механизмов очагов землетрясений как для юго-западного фланга (рис. 5.18, б), так и для всей рифтовой зоны, а также результаты деформографических наблюдений (рис. 5.18, в) подтвердили наличие этого эпизода и показали региональный характер его проявления. После эпизода сжатия, в 1994—1995 гг., наблюдался период интенсивного растяжения, при котором скорости раскрытия рифта, по данным GPS-наблюдений, достигали 10—15 мм/год.

Рис. 5.18. Проявление эпизода преобладания близгоризонтального сжатия в юго-западной и центральной частях Байкальского рифта в 1992-1993 гг. по результатам комплексного мониторинга напряжений и деформаций.
а - изменения модуля полного вектора магнитной индукции в юго-восточной части Селенгинской депрессии по данным, осредненным по пяти пунктам, с интерпретацией на основе пьезомагнитного механизма; б - изменение типа механизмов очагов землетрясений в юго-западной и центральной частях Байкальского рифта по данным об изменении угла подвижки, отсчитываемого от линии пересечения плоскости разрыва с горизонтальной плоскостью; в - изменение во времени ориентации оси растяжения на плоскости по измерениям деформографами в трех азимутах на сейсмостанции Талая.

При разработке нефтяных месторождений принципиальной является оценка продуктивности пластов-коллекторов. Институтом геофизики ОИГГМ для тонкослоистых коллекторов предложен оригинальный метод оценки эффективной мощности и характера флюидонасыщения по диаграммам высокочастотных электромагнитных зондирований (ВИКИЗ) в скважинах с горизонтальным завершением. Метод основан на различии электрического сопротивления чередующихся нефтенасыщенных и глинистых прослоев, слагающих тонкослоистую пачку. По пространственным спектральным амплитудам (рис. 5.19) высокочастотных изменений диаграмм коротких зондов (0,5 и 0,7 м) находится период переслаивания пород разного сопротивления, что позволяет установить мощности отдельных прослоев. По формулам связи параметров макроанизотропной и тонкослоистой сред определяются эффективная мощность и характер флюидонасыщения песчанистых прослоев при типичном песчано-глинистом переслаивании.

Институтом горного дела Севера ОИМиОПРК предложена новая методика прямых поисков месторождений нефти и газа методами электроразведки. Она основана на том, что в области развития вечной мерзлоты с пресными подмерзлотными водами над залежами углеводородов имеют место уменьшение мощности мерзлых горных пород (Н) до сотен метров, а также аномальные глубины сезонного протаивания (h). Это связано с экзотермическими реакциями окисления углеводородов, происходящими в залежи и сезонно-талом слое. Использование комплексного параметра — отношения h/H, аномалии которого почти вдвое контрастнее аномалий h и Н в отдельности (рис. 5.20), является новым эффективным методом прямых поисков залежей углеводородов. Параметры h и Н надежно определяются методами электроразведки. Возможное наличие засоленных участков в сезонно-талом слое легко обнаруживается по ходу работ и поддается учету.

Предполагается, что из-за неупорядоченности протонов лед должен обладать свойствами стекла. Для подтверждения этого в Читинском институте природных ресурсов БОИП выполнены эксперименты по измерению электромагнитных потерь пресного льда в сверхвысокочастотном диапазоне при длительной выдержке образцов. Впервые установлено, что фактор потерь (мнимая часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости) изменяется с течением времени (рис. 5.21). Обнаруженный эффект может объясняться хаотическим изменением структуры льда при вариациях температуры (протонная решетка льда разупорядочена и может меняться с течением времени), что свидетельствует о проявлении стеклообразных свойств льда. Полученный результат позволяет изучать свойства льда и мерзлых сред как стекол бесконтактными радиоволновыми методами, особенно эффективными при исследовании природных сред, для которых невозможно использовать оптические методы.

Институтами Геофизики ОИГГМ, Автоматики и электрометрии ОИАиЭ и Геофизической службой СО РАН создана станция сейсмологического мониторинга ТРАЛ-СМ, предназначенная для непрерывной многоканальной регистрации в цифровой форме сейсмических колебаний и вариаций других геофизических полей в автономном режиме с передачей данных по линии связи в центр обработки и оперативным выделением тревожных событий. Предполагается, что станция ТРАЛ-СМ станет базовой моделью для переоснащения сети сейсмологического и геофизического мониторинга Западной и Восточной Сибири. Современный уровень аппаратуры станции определяют: высокий динамический диапазон (24 разряда), полоса частот от 0 до 25 Гц, канальность от 4 до 32, спутниковая привязка к абсолютному точному времени и отображение суточной информации на WEB-странице (www.gs.uiggm.nsc.ru) с возможностью получения полных данных через ИНТЕРНЕТ (рис. 5.22).

Рис. 5.22. Рис. 5.22. Пример суточных данных станции ТРАЛ-СМ, обновляемых в ИНТЕРНЕТе каждые 10 минут, с фрагментом сильного землетрясения в Индонезии.

ГОРНЫЕ НАУКИ

В Институте горного дела теоретически сформулирована и экспериментально доказана гипотеза о квазирезонансном механизме возникновения динамических форм проявления горного давления. На основе данных по связям между размерами очаговых зон коровых землетрясений и подземных взрывов различных энергетических классов, а также горных ударов и техногенных землетрясений установлено, что условия возникновения геомеханических квазирезонансов связаны с индуцированием волн маятникового типа и характеризуются безразмерным энергетическим критерием k: где W — излучаемая сейсмическая энергия из очаговой зоны динамических проявлений горного давления (землетрясения, горные удары и т.п.) либо полная упругая энергия очаговой зоны, умноженная на коэффициент сейсмического действия взрывов для соответствующей полной энергии; М — масса пород очаговой зоны; V_р — скорость распространения продольных волн в геоблоках. Полученный результат позволил разработать научные основы нового подхода к прогнозированию горных ударов, построенного на анализе динамико-кинематических характеристик маятниковых волн (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Корреляционная связь между структурами: а - сейсмограммы от взрыва; б - соответствующего ей графика специальной сканирующей функции ?l(t).
Моменты вступления продольной (tp), поперечной (ts), маятниковой (tm) волн и границы записи пакета m-волны (t*) связаны c "точками излома" графика сканирующей функции ( - - - ), построенной для выделения и анализа геомеханических квазирезонансов.

В Институте угля и углехимии установлены общие закономерности изменения потенциальной газодинамической активности углеметанового пласта при различных технологических возмущениях в процессе проведения подготовительных выработок. Оценка активности выполняется на основании исследований условий газодинамической неустойчивости призабойной части пласта, динамической прочности углеметановой среды и формирования углегазового потока в выработке, что позволяет выделять зоны суфлярного выделения метана, внезапных выбросов угля и газа, высыпания и выдавливания угля (рис. 5.24). Создана и реализована математическая модель газомеханических процессов в призабойной части угольного пласта, учитывающая возможность формирования твердых углеметановых растворов в процессе углефикации и установления причин несоответствия величин природной метаноносности угольных пластов положениям теории сорбции. Полученные результаты позволяют дать прогноз различных видов проявления газодинамических явлений при отработке угольных пластов.

В Институте химии и химической технологии установлена закономерность формирования зон смятия и трещинообразования при воздействии на скальный массив энергией взрыва удлиненного заряда, позволяющая рассчитывать радиусы зон смятия и трещинообразования, что важно при отработке месторождений полезных ископаемых. Размеры первой прямо пропорциональны диаметру заряда, давлению, развиваемому продуктами детонации, обратно пропорциональны пределу прочности скального массива на сжатие, а размер зоны трещинообразования обратно пропорционален пределу прочности пород на срез (рис. 5.25).

ОКЕАНОЛОГИЯ, ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ГЕОГРАФИЯ

Большой комплекс исследований выполнен в институтах Сибирского отделения по проблеме палеоклимата Северной Евразии и прогнозу климатических изменений на ближайшее будущее.

В Лимнологическом институте впервые для Северной Азии проведена реконструкция палеоклиматов за последние 5 млн лет по данным палинологического анализа 200 м керна бурения с Академического хребта. В непрерывном разрезе по изменениям флоры региона (рис. 5.26) выделено четыре теплых периода и три похолодания: 5—4 млн л.н. — теплый (среднегодовая температура от +3 до +10 ^o С) влажный климат; 4—2,8 млн л.н. — значительное иссушение, но климат теплее современного; 2,8 млн л.н. — резкое похолодание и аридизация климата; 2,6—1,8 млн л.н. — потепление; 1,8—1,6 млн л.н. — кратковременное глубокое похолодание с формированием древнейшего в регионе криогенеза и тундровых почв; 1,6 млн л.н. — климат близкий современному с третьим значительным похолоданием около 0,9—0,8 млн л.н. Результаты наземных геологических исследований, в основном, согласуются с палинологическими данными, однако последние несут информацию регионального характера, учитывающую горный рельеф.

Рис. 5.26. Споро-пыльцевая диаграмма осадков оз. Байкал (скважина BDP-96/1).

В Институте геологии ОИГГМ на основе сравнительного анализа периодичности и продолжительности теплых эпох плейстоцена (до 0,9 млн лет), реконструированных по полной лессово-почвенной последовательности, показано, что на территории юга Сибири в ранне- и среднеплейстоценовые теплые эпохи, включая и казанцевскую, господствовал умеренно-теплый климат, характеризующийся высокой влаго- и теплообеспеченностью. После казанцевского межледниковья (рис. 5.27) теплые эпохи стали менее продолжительными, климат стал более прохладным и аридным. Ископаемые почвы этого периода имеют вдвое меньшие по мощности профили и гумусовые горизонты. Хотя последнее голоценовое межледниковье несколько холоднее последнего плейстоценового межледниковья, оно значительно продолжительнее и теплее коротких теплых эпох позднего плейстоцена. Это свидетельствует, что направленность климатических изменений с голоценового времени сменилась в сторону потепления с одновременным возрастанием частоты колебаний климата. Общий тренд изменения климата и частота его колебаний хорошо коррелируют с палеоклиматическими данными, установленными при изучении осадков оз.Байкал.

Институтом мерзлотоведения предложена концептуальная модель взаимосвязи между основными климатообразующими факторами: космопланетарными, астропланетарными и геопланетарными. Периоды свободных гармонических температурных колебаний, обусловленных данными факторами, постоянны во времени и амплитуды их относительно невелики (рис. 5.28). Однако, в моменты совпадения фаз отдельных климатообразующих циклов возможно проявление своеобразного резонансного эффекта, что значительно усиливает степень влияния глобальных факторов на климат и термический режим горных пород. Предполагается, что именно этот эффект, названный терморезонансным, приводит к аномальным периодическим похолоданиям и потеплениям климата и обусловливает пульсационный характер развития криолитозоны по площади и разрезу. На основе предложенной модели составлена приближенная схема взаимосвязи между основными глобальными климатообразующими факторами за последние 130 тыс. лет для территории Северной Евразии с прогнозом на ближайшие 10 тыс. лет (рис. 5.28).

Рис. 5.28. Схема интегрально-динамической взаимосвязи основных глобальных факторов формирования климата Земли в течение 130 тыс. лет.
1 — область оптимальных климатических условий; 2, 3 — экстремальные периоды потепления (2) и похолоданий (3) климата; 4—7 — ход кривой цикла: 4 — с периодом около 200 млн лет, обусловленным обращением Солнечной системы вокруг галактического центра (космопланетарный фактор), 5 — с периодом 100 тыс. лет, связанным с изменением эксцентриситета орбиты Земли, 6 — с периодом 40,7 тыс. лет, обусловленным изменением наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики (астропланетарные факторы), 7 — с периодом около 10 тыс. лет, обусловленным автоколебательным характером энерго- и массообмена в системе океан—атмосфера—суша—оледенение (геопланетарный фактор).

В том же Институте проведен анализ эволюции криолитозоны горных областей Евразии на примере Северного Тянь-Шаня за период с последнего оледенения до настоящего времени, показавший, что тепловое состояние их криолитозоны испытывало неоднократные колебания. Установлен максимум потепления, охватывающий период 10—7 тыс. л.н., когда температура пород повышалась примерно на 0,5—1,5 ^o С по сравнению с концом XX в. Максимальное похолодание отмечено в последнее тысячелетие, во время которого температуры горных пород были ниже современных на 1,0—1,5 ^o С. Снижение среднегодовой температуры воздуха в то время оценивается в 2,5—3 ^o С по сравнению с современной. Высотные колебания нулевой изотермы среднегодовой температуры воздуха в голоцене имели амплитуду около 500 м — от 2900 м в период потепления до 2400 м в XVI—XVIII вв. Расчеты показывают, что к 2025 г. произойдет образование мерзлоты несливающегося типа. Глубина залегания многолетнемерзлых пород составит от 6 до 8 м. Нижняя граница их распространения может подняться на 200—250 м, и площадь островного распространения мерзлых пород к этому моменту сократится примерно на 20%.

Институтом оптического мониторинга совместно с кафедрой метеорологии и климатологии Томского госуниверситета путем обработки данных за период несколько десятилетий по 114 метеостанциям Северного полушария выявлена высокая корреляция среднегодовых значений приземной температуры воздуха (Т) и амплитуды ее годового хода (А_Т) (рис. 5.29). Последняя определялась как усредненная по годам половинная разность среднемесячных температур наиболее холодного и теплого месяцев для каждой метеостанции. Как видно из рисунка, высокая корреляция значений Т и А_Т выявляет общую закономерность для различных климатических зон Северного полушария. При этом, из анализа многолетних изменений температуры следует, что процессы глобального потепления ведут к постоянному уменьшению амплитуды годового хода. Одним из проявлений этой закономерности является меньший рост температуры в летние месяцы по сравнению с зимними при общем потеплении.

Рис. 5.29. Зависимость между средней годовой температурой и амплитудой годового хода температур для Северного полушария.

Институтом геохимии ОИГГ в рамках программы "Байкал-бурение" выделены различные морфоструктуры Байкала, различающиеся характером осадконакопления. На подводном поднятии — Академическом хребте, отделенном от берегов глубоководными котловинами, с помощью бурения (BDP-96) изучен разрез, охватывающий временной интервал 5 млн лет. Установлена хорошая корреляция между содержаниями в нем остатков диатомовых водорослей, биогенного кремнезема, а также ряда других характеристик с изотопной кривой δ¹⁸О, характеризующей планетарный объем льда (ODP-667 на рис. 5.30). Таким образом, осадки Байкала чутко реагируют на изменение климата, а содержащаяся в них климатическая запись сопоставима с морскими летописями климата, но в отличие от последних более четко фиксирует короткопериодные климатические изменения, что хорошо видно на рисунке. Новая 600-метровая скважина на Академическом хребте вскрыла осадочную толщу с возрастом непрерывного осадконакопления до 15 млн лет. Впервые исследован химический и изотопный состав газа осадочной толщи на Академическом хребте и в Южной котловине. Основным компонентом газовой смеси в обеих точках бурения является метан (88,34 об.%) биогенного происхождения (СН₄/С₂Н₆>1000). В Южной котловине из скважины BDP-97 на поверхность с глубин 121 и 161 м были подняты образцы керна, содержащие газогидрат метана. Это является первой в мире находкой газогидратов в пресноводных континентальных водоемах.

Лимнологическим институтом совместно с Институтом геохимии ОИГГ впервые с привлечением Фурье-анализа проанализирован многоэлементный состав осадков 100 метров керна BDP-96-2. Выявлены "теплые" (U, Mo, Y, Yb, Eu, Br, Sr/Ba, U/Th, Zn/Nb, Cu/Ti) и "холодные" (Ba, Rb, Cs, La, Th, Ce, Nb, La/Y, La/Yb, Th/Sc) индикаторы палеоклимата и установлено, что геохимические профили отражают четкую периодичность климата, связанную с периодичностью изменений параметров земной орбиты продолжительностью 19, 23, 41 и 100 тыс. лет (рис. 5.31). Фурье-анализ геохимических профилей с учетом абсолютных возрастов двух межледниковых горизонтов, полученных прямой U/Th датировкой, дал возможность построить подробную "временнyю шкалу эпохи Брюнес" (зависимость "кажущегося" возраста осадка от глубины его залегания). Из нее следует, что развитие межледниковий на Байкале опережает глобальное таяние ледников на 5—8 тыс. лет. Хотя природа выявленных индикаторов пока не ясна, их записи фактически служат встроенным в осадки астрономическим геохронометром.

Институтом водных и экологических проблем на Новосибирском водохранилище проведен крупномасштабный полевой эксперимент, целью которого являлось изучение особенностей воздействия на песчаные берега ветровых волн высотой до 1 м, имеющих наибольшую повторяемость на большинстве озер и водохранилищ мира. Установлено, что в зоне обрушения волн, где процессы определяют закономерности динамики берегов, имеют место исключительно высокие — до 7—10 м/с и более скорости волнового потока с максимумами в придонной и внутренней областях. К ним же приурочены и наибольшие концентрации взвешенных наносов. Вопреки ожиданиям, при близких высотах обрушающихся волн события взвешивания и переноса наносов наблюдаются нерегулярно (рис. 5.32). Это явление пока не находит объяснения в рамках современных теоретических представлений о механизмах развития берегов и, возможно, потребует их существенной корректировки.

Рис. 5.32. Нерегулярное взвешивание донных наносов при прохождении группы волн
близкой высоты.

В том же Институте разработаны основные положения методологии комплексного анализа географических предпосылок болезней человека. В рамках этой методологии осуществлены картографический анализ и медико-географическая оценка питьевых вод Алтайского края по показателю — минерализация источников водопользования (рис. 5.33, а). Составлены карты медико-географической оценки условий возникновения болезней, которые по большинству параметров относятся к категории биогеохимических эндемий избыточности, в частности, карта природных предпосылок мочекаменной болезни, которая характеризует риск их проявления в корреляции со степенью жесткости подземных вод (рис. 5.33, б). Высокая степень совпадения получена при совмещении контуров предпосылок желчнокаменной болезни и химического состава поверхностных и подземных вод. Полученные результаты и составленные карты могут служить основой для разработки профилактических мероприятий по качественному водоснабжению населения Алтайского края.

Рис. 5.33. Медико-географическая оценка подземных вод (а) и природные предпосылки
мочекаменной болезни (б) на территории Алтайского края.

Институтом угля и углехимии совместно с ОИГГМ разработан электронный экологический атлас нарушенных режимов подземных вод, связанных с образованием и ликвидацией депрессионных воронок действующих и закрываемых угледобывающих предприятий в бассейне р.Томи.

На рисунке 5.34 показан фрагмент цифровой карты с границами депрессионной воронки от ведения горных работ шахтами Сибирская, Анжерская и Судженская с привязанной к ним базой данных по одной из закрываемых шахт. Затопление закрываемых шахт приведет к изменению водного режима подземных и грунтовых вод на значительных территориях, а ликвидация угольных шахт в масштабах Кузнецкого угольного бассейна на первом этапе приведет к ухудшению качества подземных и поверхностных вод в угледобывающих районах.

Рис. 5.34. Экологическая ГИС по закрывающимся шахтам Кузбасса.

В Институте географии завершены работы по российско-германскому проекту "Экологически ориентированное планирование землепользования в Байкальском регионе". Многолетние исследования впервые позволили для условий Российской Федерации разработать процедуру планирования землепользования, основанного на адаптировании к российским условиям немецкого опыта, где большое внимание уделяется экономической составляющей территориального развития, регламентированной жесткими и конкретными экологическими ограничениями. Выделяется ряд существенных этапов планирования: а) инвентаризационно-аналитический; б) оценочный; в) установка целевых концепций развития природных сред; г) определение интегральной концепции развития региона; д) создание программы основных действий. Планы для двух модельных территорий — бассейн р.Голоустная и Ольхонский район представлены в виде серии карт и пояснительных записок, которые дают полное представление о природе, населении, экономике, культурно-исторических ценностях, определяют основные потенциалы, ориентиры и ограничения территориального развития и другие аспекты.