ГЕОФИЗИКА И ГОРНЫЕ НАУКИ

В Институте геофизики ОИГГМ разработан новый метод электромагнитного сканирования, который позволяет с высокой производительностью картировать верхний техногенный слой на городских территориях (рис. 5.22). Метод базируется на программно-алгоритмическом обеспечении, позволяющем интерпретировать данные малоглубинных нестационарных зондирований с импульсами управляемого спектрального состава в условиях резкой изменчивости электрофизических характеристик среды и высокого уровня электромагнитных помех.

В том же Институте получены новые экспериментальные данные об изменении сейсмических свойств грунтов при их сдвиговом деформировании. Эксперименты проводились с целью поиска прогностических признаков активизации оползневых явлений. Исследованные образцы с оползневого склона отличаются от чистых песков и глин более сложным поведением, демонстрируя как характерное для глин пластичное поведение, так и свойственное пескам дилатантное упрочнение при сдвиге, что находит отражение в изменении скорости и амплитуды проходящих через образцы продольных сейсмических волн (рис. 5.23).

Совместными усилиями Геофизической службы, Геологического института ОИГГ и Института геофизики ОИГГМ завершено создание первой очереди территориально распределенной системы геофизического мониторинга, включающей сеть цифровых сейсмологических станций и три региональных информационно-обрабатывающих центра (рис. 5.24). С использованием современных средств телекоммуникации организован сбор непрерывной сейсмической информации из сейсмоопасных регионов Сибири, что позволило существенно повысить оперативность в работе служб срочных и оперативных донесений о происходящих сейсмических событиях природного и техногенного характера в Сибирском регионе и дать значительный прирост научной информации для решения задач среднесрочного и краткосрочного прогнозов землетрясений.

Институтом горного дела впервые получено кинематическое соотношение для нелинейных деформационных волн (U_ν) от взрывов, горных ударов, техногенных землетрясений и других динамических форм проявления горного давления (F(t)), обусловленных структурно-иерархическим фактором (ν) массивов горных пород и наличием трансляционной компоненты U_e движения геоблоков в стесненных условиях. Формула для U_ν приведена под рис. 5.25, на котором представлена идеализированная одномерная механическая модель, лежащая в основе теоретических расчетов.

При определенных диапазонах изменения U_r, U_e и ν приведенное кинематическое соотношение для U_n дает объяснение ряду экспериментально обнаруженных феноменов и эмпирических соотношений, ранее не находивших себе объяснения в рамках традиционных теоретических представлений. К их числу можно отнести объяснение известным данным по скоростям так называемых Д-волн Ш.А. Губермана и миграционных фронтов сейсмичности от планетарных землетрясений В.В. Жадина (~ 200 ÷ 800 км/год), скоростям возвратно-поступательного движения геоблоков от мощных технологических взрывов (~ 20 ÷ 70 м/ч – по данным М.В. Курлени, В.Н. Опарина и А.А. Еременко), скоростям m-волн маятникового типа (~ 300 ÷ 600 м/с – по данным М.В. Курлени, В.И. Опарина и В.И. Вострикова) и др.

Институтом вычислительной математики и математической геофизики, АСОМСЭ и Институтом геофизики ОИГГМ впервые в мире проведен Российско-Американо-Казахский крупномасштабный геофизический эксперимент по одновременной регистрации на профиле Семипалатинский – Быстровский полигоны, протяженностью 620 км волновых полей от 100-тонного калибровочного взрыва (гора Дегелен, Семипалатинский полигон) и 100-тонного вибратора (пос. Быстровка, Вибросейсмический полигон). По результатам анализа сейсмических волновых полей обоих типов источников получены уточненные данные о геофизических характеристиках среды вдоль профиля (рис. 5.26.), доказана возможность перехода к экологически чистым вибраторам для изучения строения Земли, решения проблем сейсмической калибровки, мониторинга сейсмоопасных зон.

Геофизической службой, Институтом геофизики ОИГГМ и СНИИГГиМСом разработана комбинированная методика детального изучения строения земной коры и верхней мантии методами сверхглубинного ОГТ, КМПВ-МОВ и ГСЗ с использованием не имеющих мировых аналогов мощных передвижных 40-тонных виброисточников (рис. 5.27) проведено изучение глубинного строения одного из сейсмоопасных участков северо-западной части Алтае-Саянского региона – территории Кузбасса. Результаты выполненных глубинных вибросейсмических исследований обоснованно позволяют начать режимные вибросейсмические просвечивания очаговых зон данного региона.

В Институте горного дела Севера ОИМЗиОПРК экспериментальными исследованиями выявлен эффект накопления заряда на контрастных границах раздела сред при георадиолокационном зондировании (рис. 5.28), являющийся основой для разработки нового метода электроразведки мёрзлых толщ – метода динамического накопления заряда, который позволит в комплексе с методом переходных процессов выделять в георадиолокационном разрезе зоны повышенной и пониженной проводимости, а следовательно, проводить качественную и количественную оценку состояния исследуемой среды.

Этим же Институтом разработан способ комбинированной разработки cближенных угольных пластов при незначительной мощности междупластья (рис. 5.29). Очистную выемку нижележащего пласта ведут с удержанием кровли на целиках и с опережением открытых горных работ. В этом случае междупластья и вышележащие пласты полезного ископаемого не претерпевают никаких изменений и не мешают производству открытых горных работ. После прохождения открытых горных работ целики погашают, при этом эксплуатационные потери угля не превысят 15-17 %. Кровля полностью обрушается, отставание работ по погашению целиков от открытых горных работ принимается не менее 100 м, чем достигается безопасность открытых работ. Способ защищен патентом РФ № 2151291.

Рис. 5.29. Способ комбинированной разработки свиты сближенных пластов. 1 – подготовительные выработки; 2 – угольный пласт; 3 – угольные целики.		Рис. 5.30. Структура ресурсов метана (млн м3) в отработанном (1947-1999 гг.) подземным способом горном блоке на Байдаевском месторождении Кузбасса.

В Институте угля и углехимии установлена закономерность изменения направления и интенсивности аэрогазового обмена на границе "очистной забой – выработанное пространство" при наиболее распространенной на шахтах РФ комбинированной схеме управления газовыделением на выемочном участке. Разработанный на ее основе метод впервые обеспечил определение области горнотехнологических условий, в которых плановая производительность забоя достигается только при комплексном управлении газовыделением, включающем и способы дегазации основных источников. Метод содержит расчет фактической и необходимой эффективностей каждого из способов с возможностью корректировки их параметров по совокупному обеспечению нормальной газовой обстановки на выемочном участке. На базе установленных закономерностей получены решения прикладных задач по оценке ресурсов метана с их дифференцированием по физическим особенностям (рис. 5.30) и обоснованию производительности систем использования попутного газа на действующих и закрытых шахтах.

Институтом мерзлотоведения впервые разработана методика комплексных натурных и лабораторных экспериментальных исследований криогенного выветривания массивов горных пород криолитозоны. В результате уточнена природа физического выветривания, выполнена количественная оценка вклада его механизмов в разрушение горных пород в различных условиях криогенного выветривания. Изучено воздействие криогенного выветривания на изменение теплофизических и физико-механических свойств скальных и крупнообломочных пород. Разработаны и экспериментально проверены новые математические модели оценки воздействия криогенного выветривания на физико-технические свойства горных пород. Установлены закономерности воздействия симметричного и асимметричного изменения температур на разрушение пород (рис. 5.31).Полученные результаты являются существенным вкладом в разработку теории криогенного выветривания горных пород. Они были использованы при проектировании горнотехнических объектов криолитозоны и для создания модифицированных технологий вскрышных работ на угольных месторождениях.

ОКЕАНОЛОГИЯ, ГЕОГРАФИЯ, МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ

Институтом водных и экологических проблем на основе модели крупных вихрей, впервые реализованной для воспроизведения гидрофизических процессов во внутренних водоемах, описан феномен турбулентной проникающей конвекции, возникающей весной в озерах, покрытых льдом (рис. 5.32). Проведенные расчеты показали, что разработанная модель позволяет адекватно воссоздать в подледном слое воды картину суточной изменчивости средних и вихревых полей скорости и температуры и воспроизвести гидрофизические параметры, оптимальные для вспышки продуктивности фитопланктона, которая наблюдается весной в олиготрофных озерах.

Рис. 5.32. Вертикальные профили конвективного потока тепла за счет крупных вихрей (К) и вертикальные профили мелкомасштабного подсеточного турбулентного потока тепла (К_т) (традиционное градиентно-диффузное приближение) на первые (кривая 1), третьи (2), пятые (3) и седьмые (4) сутки после начала развития подледной проникающей конвекции.

Этим же Институтом составлена обобщающая картографическая модель региональной ландшафтной структуры Западно-Сибирской равнины, базирующаяся на унифицированном методическом подходе к физико-географическому районированию, который обеспечивает сравнимость содержательной информации о ландшафтах, изученных с разной степенью полноты и детальности (рис. 5.33). Совместный анализ зональных и азональных факторов ландшафтной дифференциации территории позволил выделить 59 геосистем уровня физико-географических провинций. Составленная картосхема отражает эколого-географические особенности и закономерности региона, является базовой для обоснования систем природопользования, в том числе для исследований водоресурсного потенциала и оптимальности водопользования в бассейне.

Подведены итоги десятилетних исследований по проекту "Байкал-бурение", в котором приняли участие многие институты СО РАН, а также специалисты Японии и США. За это время пробурено 5 кустов скважин в различных морфоструктурах оз. Байкал. Возможности надежного возрастного контроля, непрерывность, длительная возрастная продолжительность разрезов (до 5-10 млн лет), при высоком временном разрешении (до 25-100 лет), делают байкальские палеоклиматические летописи модельными для Азии и в целом для континентов Северного полушария. Анализ распределения биогенного кремнезема и данные палинологического анализа показывают, что климат на Земле, вероятно, не достиг оптимума, который фиксируется в записях XI стадии морской кислородной кривой, наиболее близкой по орбитальным параметрам современному интервалу времени (рис. 5.34). Таким образом, на Земле в ближайшие тысячелетия возможно естественное потепление, которое будет проходить на фоне температурных колебаний. Более того, в ближайшие столетия может отмечаться некоторое понижение температуры.

Рис. 5.34. Сравнение распределения биогенного кремнезема в осадках оз. Байкал, отвечающих морской кислородной стадии XI (сплошная линия), с распределнием в осадках, отвечающих голоценовому периоду времени (пунктирная линия).		Рис. 5.35. Строение каргинско-сартанской толщи в дефляционной котловине оз. Аксор. 1 – песок, 2 – песок слоистый, 3 – галька, 4 – клинья мерзлотные, 5 – клинья усыхания, 6 – почвы, 7 – норы землероев, 8 – радиоуглеродные даты.

Институтом геологии ОИГГМ впервые в Северной Азии для последнего сартанского оледенения (20-16 тыс. лет) по результатам изучения отложений в замкнутой дефляционной котловине оз. Аксор (Центральный Казахстан) установлены кратковременные резкие изменения климата, указывающие на тысячелетний ритм с "холодной" и "теплой" фазами. Выделяется восемь эпох кратковременных потеплений, во время которых происходили деградация мерзлоты, сопровождаемая вытаиванием ледяных жил, и трансгрессия озера, и восемь эпох похолоданий, во время которых озерный водоем осушался, его дно промерзало и образовывались ледяные жилы (рис. 5.35).

Институтом географии определены демографическая ситуация, воспроизводство населения и основные тенденции миграционного движения в регионах азиатской части России, составлена карта типов динамики населения в период 1992-1998 гг. (рис. 5.36), что позволило выделить районы с разной степенью демографической напряженности.

В Институте криосферы Земли составлены прогнозно-оценочная карта изменения и прогнозные карты (к 2020 г. и 2050 г.) распространения криогенных геологических процессов криолитозоны России (масштаба 1: 7,5 млн), учитывающие роль ландшафтной сферы в развитии криолитозоны. Исходя из прогноза изменения климата в сторону потепления, установлены четыре зоны различного по срокам и интенсивности поверхностного протаивания в криолитозоне, в пределах которых выделены территории без существенного изменения криогенных геологических процессов, с локальной и широкой их активизацией. Возможное потепление климата приведет к 2020 г. и 2050 г. к отступлению южной границы криолитозоны к северу (северо-востоку). Ширина зоны деградации криолитозоны в Европейской части России достигнет 50-200 км, в Западной Сибири – 800 км, а в Восточной Сибири – до 1500 км. В зонах с максимальной активизацией деструктивных криогенных геологических процессов может быть нанесен максимальный ущерб инженерным сооружениям. Составлена карта озерности Российской Арктики (рис. 5.37), учитывающая взаимодействие криолитозоны с гидросферой, на основе которой произведена оценка количества и локализации гидрогенных таликов. Карта позволяет оценить реальную "сплошность" толщи многолетнемерзлых пород (ранее считавшихся сплошными). Упомянутые карты необходимы при разработке стратегии освоения регионов развития многолетней криолитозоны с учетом глобального изменения климата.

Институтами Мерзлотоведения ОИМЗиОПРК и Криосферы Земли на основе мониторинга динамики развития термокарста, термоэрозии, термоабразии и криосолифлюкации на морском побережье Северного Ледовитого океана сделан вывод о том, что активизации деструктивных криогенных процессов здесь не происходит. Осредненные за многолетний период скорости разрушения берегов, сложенных льдистыми породами, составляют в среднем 1,7 (Западный Ямал) – 2,6 (побережье моря Лаптевых) м/год (максимальная на о. Муостах составляет 13,2 – рис. 5.38) при постоянстве средних темпов эрозии за последние 40 лет. Этот вывод ставит под сомнение достоверность некоторых появившихся публикаций, утверждающих о начавшемся более интенсивном разрушении арктических прибрежных равнин в связи с потеплением климата.

Рис. 5.38. Аэрофотоснимок о. Муостах, сделанный в 1951 г., с нанесенным современным (2000 г.) положением бровки берегового клифа (а) и межгодовая скорость отступления берегов на Западном Ямале (б).

ГЕОЛОГИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, ГЕОЭКОЛОГИЯ

Институтом оптического мониторинга выполнен статистический анализ температурного режима Северной Азии по данным 134 метеостанций за период с 1955 по 1998 г., позволивший выявить очаговый характер потепления с максимальным трендом, превышающим 0,5 °С/10 лет (рис. 5.39). При этом межсезонная амплитуда колебаний среднемесячной температуры уменьшается с ростом среднегодовой для Северной Азии в целом, за исключением района Верхоянского полюса холода, где соответствующая зависимость имеет противоположный характер.

Институтом геофизики ОИГГМ в результате интерпретации (инверсии) термограмм скважин восстановлены вековые тренды изменения поверхностной температуры на юге Сибири в историческое время (1500-2000 гг.). Расчеты показывают ее увеличение в этот период в среднем на 1 °С, причем на 0,6 °С – в ХХ в. (рис. 5.40). Выявленные тренды характерны и для других регионов мира, что свидетельствует об естественности процесса потепления, а антропогенная составляющая, если она существует, может лишь ускорить его.

Институтом оптического мониторинга предложен и впервые апробирован системно-эволюционный подход к исследованиям современных изменений региональных природно-климатических систем и к многофакторному моделированию процессов энергомассопереноса в земной атмосфере с учетом согласованности межсистемных отношений. На основе этого подхода разработаны не искаженные сглаживающим осреднением новые методы обработки и анализа результатов мониторинга для оценки региональных климатических изменений. На рис. 5.41 в качестве примера приведены результаты обработки метеорологических данных по трем городам Сибири, позволяющие выявить региональные особенности эволюции температур, изломы эволюционной траектории, в частности заметный излом в 60-е годы, отмеченный для всего Северного полушария.

Байкальским институтом природопользования БОИП, в соответствии с установленными Конвенцией ООН по борьбе с опустыниванием критериями, рассчитаны и определены для Забайкалья и Прибайкалья четкие границы распространения на настоящее время территорий, где идут процессы опустынивания (семиаридных, сухих субгумидных и полузасушливых субгумидных – рис. 5.42). Основой при установлении границ послужил индекс аридности (Р/РЕТ) – отношение количества осадков к потенциальной эвапотранспирации (суммарному испарению с поверхности растений и почв) региона за последние 80-90 лет. Данные проведенного дендроклиматического анализа (по срезам древесных колец за последние 250 лет) также указывают на тенденцию увеличения к началу третьего тысячелетия аридности климата как предпосылки процессов опустынивания.

Конструкторско-технологическим институтом геофизического и экологического приборостроения ОИГГМ впервые изготовлен российский образец мобильного хромато-масс-спектрометра (МХМС) с оптимизированной конструкцией для полевых условий (рис. 5.43). В ходе испытаний установлено, что образец МХМС соответствует требованиям по стойкости к внешним воздействующим факторам полевых условий эксплуатации, по чувствительности и быстродействию при определении отравляющих, ядовитых и сильнодействующих веществ. Основные технические характеристики МХМС: порог обнаружения по летучим органическим веществам – не более 1·10^-13 г/см³; время цикла анализа при обнаружении перечня наркотических веществ – от 20 до 120 с; потребляемая мощность – не более 300 Вт; масса – не более 100 кг; электропитание – 220 В; газовое питание – гелий газообразный (2500 ч непрерывной работы без перезарядки баллона); время подготовки к работе – 20 мин; управление в ходе цикла анализа и обработка данных с выдачей сигнала об обнаружении полностью автоматизированы; условия эксплуатации для ручного пробоотборного устройства: от -20° до +50 °С при влажности до 90 %. Создан опытный образец и проведены госиспытания, получена рекомендация на постановку на вооружение в Министерство обороны РФ.

Рис. 5.43. Мобильный хромато-масс-спектрометр.		Рис. 5.44. Газоанализатор ДОГ-2.

Институтом оптического мониторинга развит метод дифференциального поглощения для перекрывающих полос в ультрафиолетовой области спектра и завершена разработка автоматизированного газоанализатора окиси азота и двуокиси серы в дымовых выбросах с пороговой чувствительностью 1 мг/м³. Импортозамещающий двухкомпонентный газоанализатор ДОГ-2 (рис. 5.44) предназначен для экологического контроля выбросов и оперативного регулирования режима сжигания топлива на ТЭЦ. Разработанные научные основы и новые технические решения обеспечивают для газоанализатора высокие эксплуатационные качества (срок непрерывной работы – до одного года), многофункциональные технологические возможности и малую инерционность (время одного измерения – 8 с).

Этим же Институтом разработана новая технология производства кристаллов с повышенным оптическим качеством для эффективных преобразователей частоты лазерного излучения систем дистанционного мониторинга атмосферы в среднем инфракрасном диапазоне. Она основана на результатах многолетних экспериментальных исследований по влиянию на коэффициент поглощения кристаллов ZnGeP₂ условий синтеза соединения, выращивания и легирования монокристаллов, их термообработки и дозированного облучения электронными пучками. Как видно из рис. 5.45, термообработка кристаллов заметно улучшает их оптические свойства, а последующее облучение быстрыми электронами (с энергией более 5 кэВ) приводит к дальнейшему уменьшению коэффициентов поглощения в среднем ИК диапазоне (< 0,05 см^-1 на длине волны 2 мкм). Достигнутый уровень оптического качества кристаллов, полученных по разработанной технологии, обеспечивает производство параметрических генераторов света с повышенной эффективностью в диапазоне 3-10 мкм при использовании лазерной накачки с различными активными элементами (LiYF₄:Ho, ПГС на основе КТР с накачкой YAG:Nd лазера).

Институтом горного дела в области извлечения ценных компонентов из водных сред и охраны окружающей среды впервые осуществлена массообменная реакция жидкообразной системы "оксихлорид Al – высокоцветная вода" с использованием специальных диспергирующих устройств. Исследования в реальных условиях показали, что по сравнению с существующими технологиями в 200-600 раз сокращается продолжительность основного коагуляционного цикла и до 50 % сокращаются расходы дорогостоящего реагента, повышается качество очищенной воды (рис. 5.46) и сокращаются вредные выбросы в окружающую среду.

Рис. 5.46. Зависимость показателя очистки воды от технологических параметров процесса: pH среды, продолжительности коагуляционного цикла (t), расхода реагента (P).
		Рис. 5.47. Прибор РЭМИ-2.

Тем же Институтом разработан и опробован в условиях Таштагольского рудника прибор РЭМИ-2 (рис. 5.47), предназначенный для исследования электромагнитного излучения горных пород, возникающего в процессе трещинообразования в высоконапряженных участках массива (в частности, в зонах удароопасности). Прибор обеспечивает регистрацию и счет импульсов ЭМИ в единицу времени и выдает световой и звуковой сигналы при повышении интенсивности излучения. Конструкция защищена патентом РФ № 2137920. Прибор передан в службу горных ударов рудника для опытно-производственной эксплуатации и использовался для оценки степени удароопасности приконтурной зоны горных выработок.