5. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

В Институте геофизики ОИГГМ на основе достижений Новосибирской школы обратных задач математической физики (М.М.Лаврентьев, В.Г.Романов, А.С.Алексеев) создана континуальная теория лучевой сейсмической томографии (ЛСТ) с учетом реальных особенностей применяемых систем и наблюдения изучаемых сред. Для отражательной томографии результаты имеют пионерный характер. На основе этой теории доказаны теоремы единственности и найдены схемы обращения для основных модификаций ЛСТ (межскважинной, телесейсмической, рефрагированной, отраженной и комбинированной), исследована их устойчивость. Разработан ряд итеративных алгоритмов, ориентированных на преодоление основных трудностей ЛСТ: ограниченность углового обзора и нелинейность исходных данных обратной кинематической задачи.

В Институте геологии ОИГГМ составлена сейсмотомографическая модель верхней мантии под южной Сибирью, созданная на основе Инверсной Телесейсмической Схемы. В отличие от большинства предыдущих томографических моделей, она показывает, что верхняя мантия в этом регионе имеет ячеистую структуру, а Байкальский рифт расположен вблизи границы холодной и горячей мантии и, как известно, лишен активного вулканизма. Но юго-западная (Тунка, Хубсугул, Хангай) и северо-восточная (Чара, Удокан) ветви рифтовой зоны совпадают с разогретой мантией. Это подтверждает известную гипотезу, что поверхностные структуры не полностью совпадают с восходящими плюмами, так как большую роль играют имеющиеся сквозьлитосферные разломы, в частности, вдоль края Сибирской платформы.

Рис.5.13. Карты аномалий сейсмических скоростей на глубинах 100 и 200 км юга Сибири.
Изолинии проведены через 1%, кружки показывают точки расчета скоростей.

Карты аномалий сейсмических скоростей (рис. 5.13) иллюстрируют томографическую модель мантии юга Сибири, где темные тона соответствуют разуплотненной мантии (восходящим потокам), а светлые интерпретируются как более холодные области. Они показывают наличие трех или четырех мантийных ячеек.

В последние годы в Институте геофизики развивается новое направление - сейсмика анизотропных гиротропных сред. Новым является понятие о гиротропных свойствах горных пород, главное из которых - способность вращать плоскость поляризации поперечных волн. К настоящему времени построена феноменологическая теория сейсмической гиротропии. Она позволила получить адекватное реальным средам математическое описание распространения в них сейсмических волн - в первую очередь их пространственной поляризации. Для раскрытия сути явления гиротропии построена микромодель песчаных пород диссимметричной структуры и показано, что она обладает гиротропными свойствами (рис. 5.14).

Рис.5.14. Схема распространения поперечной волны в направлении в гиротропной среде, показывающая вращение вектора поляризации U. R - радиус витка ''спирали'', на которой расположены центры зерен.

Модель представляет собой кубическую упаковку зерен, в которую внесена следующая диссимметрия: в каждом из столбцов зерна располагаются по принципу - азимутальный поворот плюс трансляция. Поворот может быть по часовой стрелке или против, соответственно среда становится гиротропной - "левой" или "правой" (вращает вектор смещений поперечной волны влево или вправо). Найдена зависимость между параметрами диссимметрии микромодели и константами гирации. Обоснована принципиальная возможность изучения микростроения реальных геологических сред на основе гиротропных свойств путем обычных, макроскопических, наблюдений.

В том же Институте впервые выполнена оценка эффективной вязкости земной коры в зоне Главного Саянского разлома в результате интерпретации результатов многолетних наклономерных наблюдений на станции Талая (рис. 5.15). В период с 1985 по 1989 г. здесь наблюдался постоянный наклон блока на север, что может интерпретироваться как результат его горизонтального нагружения с юга. После землетрясения 13.05.1989 г. в 200 км к югу от станции (М=5,9, плоскость подвижки "север-юг") направление наклонов сменилось на противоположное. В этот период (с 1989 г. до настоящего времени) характер движений можно интерпретировать как результат снятия нагрузки. Время релаксации влияния нагрузки оценивается по экспериментальным данным примерно в 6 лет, а вязкость в зоне Главного Саянского разлома, по которой, видимо, и возможны смещения, - в 3 10¹⁸ Па с.

Рис.5.15. Изменение хода наклона земной поверхности в азимуте север-юг по наблюдениям в штольне сейсмостанции Талая (1) за период 1985-1997 гг. Кривая нагружения (2) при Р₀ =0 и кривая разгрузки (3)по упруговязкой модели (тело Кельвина) при Р₀ = 0 после 1990 года.

Горные науки

В Институте горного дела экспериментально обнаружен неизвестный ранее эффект аномально низкого трения в блочных средах при периодическом силовом воздействии, обусловленный формированием в геоблоках волновых пакетов с канонически соподчиненным спектром. В частности, эффект достигается за счет увеличения отрыва между структурными блоками при их движении в режиме "физического маятника", а также возникновения поверхностных деформационных волн солитонного типа с определенными характеристиками, соразмерными рельефу шероховатости поверхностей взаимодействующих блоков. Рисунок 5.16 иллюстрирует каноничность интервалов задержки между взаимоортогональными импульсными воздействиями, при которых наблюдается эффект аномально низкого трения.

Рис. 5.16. Пример зависимости величины смещения от интервала очередного силового воздействия на блочную систему.
x - моменты максимальных возмущений.

В том же институте установлен механизм формирования сейсмических и динамических явлений в массиве горных пород при промышленных взрывах, позволяющий оценить сейсмическую опасность в районах месторождений Горной Шории. Показано, что на фоне общего затухания сейсмической активности эпицентральной зоны землетрясения в отдельные моменты времени увеличивается сейсмическая энергия афтершоков землетрясения. Увеличение энергии связано с промышленными взрывами. Возмущение от взрывов распространяется по блочному массиву со скоростью 70-100 м/сут и проявляется в эпицентральной зоне землетрясения в виде волнообразного выделения энергии. Активизация афтершоков землетрясения происходит через 20-60 суток с момента проведения взрыва.

Рис. 5.17. Величина отклонения длительности отдельных афтершоков от среднего значения (К) во времени.

На рис. 5.17 показана зависимость величины отклонения длительности отдельных афтершоков от времени. Установлен механизм формирования динамических явлений в массиве горных пород в пределах воронки взрыва. Периоды высвобождения энергии динамических явлений формируется в трех зонах. В каждой из зон происходит увеличение и снижение сейсмической энергии динамических явлений во времени до некоторых предельных значений.

В Институте угля и углехимии определены основные условия возникновения и развития процесса динамического саморазрушения газоносных геоматериалов при ведении подземных горных работ. На базе установленных закономерностей создана физическая модель этого процесса (рис. 5.18), отражающая следствия совместного влияния механических напряжений в твердой составляющей среды, напряжений, создаваемых давлением заключенного в ней газа, и потерь этого давления на вынос разрушенного материала из формирующейся полости. Получены расчетные зависимости для решения прикладных задач по прогнозированию и снижению вида и уровня газодинамической опасности, обоснованию способов и мер защиты людей и горно-шахтного оборудования.

Рис. 5.18. К условиям динамического саморазрушения газоносных горных пород.
- напряжения; Р - давление газа; f - коэффициент крепости угля; _р.д - динамическая прочность угля на растяжение;
- суммарные напряжения; - геостатические напряжения; Р_n - затраты давления газа на транспортирование угля; P - то же, на дробление угля; _р-упругие напряжения, обусловленные горным давлением; Р₀ - внутрипластовое напряжение.

В Институте горного дела Севера ОИМЗОПРК разработана технология отработки угольных месторождений, представленных серией пластов, имеющих различные качественные характеристики по зольности, окисленности и др. и выходящих на поверхность. Предлагаемая технология (рис. 5.19) предусматривает отработку угольных пластов месторождений открыто-подземным способом с применением короткозабойной техники (проходческих комбайнов). Технология позволяет отказаться от буровзрывных работ, снизить эксплуатационные затраты на 40-50%.

Рис. 5.19. Технологическая схема комбинированного способа разработки пластовых месторождений. Вскрывающие и подготовительные выработки 1 проходят по пласту 2, предназначенному для отработки подземным способом, который отрабатывают камерно-столбовой системой разработки с удержанием кровли на целиках угля 3.

Океанология, физика атмосферы и география

В Институте геологии ОИГГМ установлены траектории движения плит над горячими точками - мантийными плюмами Буве, Шона, фиксирующиеся по содержаниям петрогенных окислов в базальтах, а также выяснены параметры флюидного и температурного режимов магматических систем в районе тройного сочленения срединно-океанических хребтов в Южной Атлантике. Изучение базальтовых стекол и расплавных включений в оливинах (Ol), клинопироксенах (Cpx) и плагиоклазах (Pl) позволило установить значительное влияние мантийных плюмов на магматические процессы в районе тройного сочленения срединно-океанических хребтов около острова Буве (Южная Атлантика). В рифтовой зоне Срединно-Атлантического хребта развиты наиболее высокотемпературные (Ol - 1280-1325^o C, Pl - 1245-1270^o С) и сухие (0,12-0,27% Н₂О, 63-176 ppm CO₂) магматические системы (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Распределения значений K₂O/TiO₂ (А) и H₂O/TiO₂ (Б) в базальтах и магматических стеклах на участке ЮЗИХ, фиксирующие след плюма о. Буве.
1 - изолинии рассматриваемых значений; 2-4 - станции драгирования в разных рейсах; 5 - участок рифтовой зоны ЮЗИХ; 6 - трансформный разлом Буве; 7 - о. Буве; 8 - след горячей точки о. Буве.

Влияние горячей точки Шона на флангах хребта приводит к обогащению расплавов летучими компонентами (Н₂О до 0,63%, СО₂ до 850 ppm) и снижению нижних пределов температур кристаллизации (Ol - 1240-1325^o C, Cpx - 1185-1205^o C, Pl - 1170-1255^o C). В Юго-западном Индийском хребте (ЮЗИХ) влияние горячей точки острова Буве приводит к образованию насыщенных флюидом (Н₂О до 1,25%, СО₂ до 744 ppm) и самых низкотемпературных магм (Ol - 1195-1300^o C, Cpx - 1170-1200^o C, Pl - 1155- 1235^o C).

В рамках международного проекта "Байкал-Бурение" (рук. чл.-корр. РАН М.И.Кузьмин) на вершине Академического хребта, разделяющего Северный и Средний Байкал, были взяты два параллельных буровых керна BDP96-1 и BDP96-2.

Лимнологический институт в 1997 году выполнил анализ верхних 100 метров буровых кернов BDP96-1 и BDP96-2 с шагом 5 см на содержание створок диатомей, влаги и плотность, а также определил профиль распределения биогенного кремнезема на первых 20 м. Полученные данные позволяют утверждать, что вскрыта первая непрерывная высокоразрешающая летопись палеоклиматов Восточной Сибири для плейстоцена и верхнего плиоцена. Осадки, относящиеся к теплым климатам, содержат значительное количество створок диатомовых водорослей, в то время как осадки, относящиеся к периодам глобальных оледенений, не содержат диатомей. Выявлено более 20 плейстоценовых циклов оледенений и межледниковый. Байкальская летопись верхнего плейстоцена (500 тыс. лет до настоящего времени) отлично коррелирует с океанической кривой SPECMAP. В ней четко выделяются частоты астрономического форсинга 100, 41, 23 и 19 тыс. лет (рис. 5.21), найденные в лучших океанических летописях.

Рис. 5.21. Фурье-анализ несглаженного профиля содержаний влаги в керне ВДР96-2.
+ - частоты астрономического форсинга при скорости осадконакопления 4,6 см за тысячу лет.

В Читинском институте природных ресурсов выявлен вековой тренд увеличения увлажненности территории бассейна Верхнего Амура - одного из регионов Центральной Азии в 20-м веке. Оценка изменения увлажненности выполнена путем выделения трендовой составляющей многолетних колебаний атмосферных осадков, стока рек и уровня воды озер. В течение текущего столетия отмечено увеличение количества атмосферных осадков в Юго-Восточном Забайкалье примерно на 70-80 мм (около 20% средней годовой суммы осадков за многолетний период), что соответственно привело к повышению речного стока, зарегистрированному в замыкающем створе и на некоторых реках бассейна Верхнего Амура, охватывающего значительную часть Восточного Забайкалья, северо-восточные области Монголии и западные районы Внутренней Монголии Китая.

В Институте мерзлотоведения ОИМЗОПРК высказана гипотеза о причинах деструкции горных пород и аномальном нарушении гидродинамического режима в подмерзлотной зоне при колебаниях положения нижней фазовой границы и температуры пород под влиянием длиннопериодных колебаний климата в верхнем плейстоцене и голоцене. Построена физико-математическая модель термодинамических процессов в подмерзлотной зоне при вертикальных перемещениях фазовой границы мерзлоты с амплитудой 300 м и периодом 40 тысяч лет (рис. 5.22).

Рис. 5.22. Динамика нижней фазовой границы и гидродинамического поля давлений на глубине 1,25 км и в 50 м ниже фазовой границы за 40-тысячелетний период изменения климата в закрытой среде без подтока воды.

Она показала существование вакуумно-поршневого эффекта и значительных перепадов гидростатического давления. При уменьшении мощности мерзлых пород происходит падение гидростатического давления в протаявшей зоне. В закрытой системе без подтока воды оно падает до нуля. При наличии бокового подтока воды дефицит давления зависит от интенсивности подтока воды и свойств среды. В фазе промерзания происходит очень сильное повышение давления в подмерзлотной зоне, выдавливание из нее воды и деструкция осадочных пород. Вызываемые этими процессами напряжения в горных породах приводят с одной стороны к их внутреннему объемному сжатию, а с другой - к появлению и росту трещиноватости.

В Институте водных и экологических проблем выявлен механизм химического превращения и перераспределения тяжелых металлов при осаждении взвешенного вещества в донные отложения рек при анаэробных условиях. Химическое превращение сорбированных форм тяжелых металлов протекает по следующей схеме:

(взвешенное вещество)   Me в поровую воду   (донные отложения)

Получено экспериментальное подтверждение выявленного механизма для рек различных климатических поясов (Обь, Западная Сибирь; Дунай, Восточная Европа; Шельд, Западная Европа).

В Институте географии в рамках совместного российско-германского проекта "Экологически ориентированное планирование землепользования в Байкальском регионе" разработана интегральная концепция сбалансированного (устойчивого) развития модельной территории - бассейн р.Голоустная, ориентированная на восстановление и сохранение ее природного потенциала и оптимизацию социально-экономической и демографической ситуаций.

Рис. 5.23. Схема оценки значения (чувствительности) отдельного природного компонента.

Достижение этой цели возможно при одновременном решении двух взаимосвязанных задач: зонирование территории по режиму землепользования как основе нормативно-правовой базы, и разработка концептуальной основы дальнейшего социально-экономического развития территории в условиях обозначенного в ландшафтном плане природоохранного режима (рис. 5.23). План экологически обоснованного землепользования (ландшафтный план) в бассейне р.Голоустная и прилегающего к нему побережья оз.Байкал является первым опытом проведения подобных работ не только в Байкальском регионе, но и в России. Результаты исследований изложеныв книге "Экологически ориентированное планирование землепользования в Байкальском регионе - бассейн р.Голоустной".

• Диаграммы

Go to Home Site

[ В оглавление.] [Сл. Раздел.]