ГЕОФИЗИКА И ГОРНЫЕ НАУКИ

В Институте геофизики ОИГГМ развит метод приближенного вычисления динамики сейсмических волн, когда анализ ведется в рамках лучевого метода, но с использованием интегрального представления и метода разрывов. В отличие от стандартной техники лучевого разложения (рис. 5.16, А), метод одинаково применим как в регулярных, так и нерегулярных ситуациях (точки слияния сейсмических лучей – на рис. 5.16, Б и В). Это позволяет более правильно интерпретировать волновое сейсмическое поле, возникающее в реальных средах со сложным геологическим строением.

Геофизической службой СО РАН разработана эффективная методика площадного изучения глубинного строения сейсмоактивных регионов по данным промышленных взрывов и землетрясений, зарегистрированных площадной стационарной сейсмологической сетью станций. В центральной части Алтае-Саянского региона на площади в 250 тыс. км² изучена поверхность Мохоровичича (рис. 5.17). Установлено неоднородное строение верхней мантии для различных участков, выражающееся в сильном изменении скоростей распространения продольных волн (от 7,8 до 8,2 км/с) и параметров анизотропии упругих свойств, что свидетельствует о различных процессах, протекающих в верхней мантии и дает новое представление о механизмах образования и развития Алтае-Саянской складчатой области.

Институтом геофизики ОИГГМ выполнен цикл исследований по физическому обоснованию электромагнитного бесконтактного метода контроля металлических колонн скважин и оценки вариаций механических напряжений в горных породах околоскважинного пространства. Метод основан на зависимости магнитной проницаемости ферромагнетика от прикладываемых к нему механических напряжений (рис. 5.18), что позволяет оценивать изменение напряженного состояния пород и определять момент, когда упругие напряжения достигают критической величины.

Институтом горного дела Севера ОИМЗиОПРК СО РАН разработана методика дискретного георадиолокационного зондирования мерзлого горного массива, позволяющая выявлять неоднородности массива, определять глубину их залегания и пространственную ориентацию. При минимальном количестве измерений, необходимых для вычисления скоростных характеристик вмещающей среды, и при использовании в алгоритме пространственной обработки динамических и фазовых характеристик сигналов получены характеристики основных параметров исследуемого объекта. Методика апробирована на руднике "Интернациональный" АК "АЛРОСА" (рис. 5.19) и открывает возможности использования метода георадиолокации для горно-геофизических исследований на сложной пересеченной местности и в ограниченном пространстве шахт, в особенности, при обследовании бортов и кровли горных выработок.

Институтом геофизики ОИГГМ выполнен сравнительный анализ геотермической информации по современному тепловому потоку (ТП) и результатам термобарометрии минеральных ассоциаций из мантийных и коровых ксенолитов, содержащихся в кимберлитах, по наиболее изученным кимберлитовым провинциям древних платформ Южной Америки, Африки и Евразии. Все провинции, кроме Якутской, характеризуются практически одинаковым современным ТП – порядка 40–70 мВт/м² (рис. 5.20, А). Практически такой же температурный режим, или даже более холодный (ТП=35–47 мВт/м²), определяется и в эпохи кимберлитового магматизма (1500–30 млн лет назад) в литосфере всех, включая и Якутскую, провинций, несмотря на существенные географические, геологические и возрастные различия. На основании этих данных сделан вывод об отсутствии имеющих поисковое значение современных геотермических аномалий, приуроченных к кимберлитовым провинциям. Аномалия Якутской кимберлитовой провинции (рис. 5.20, Б) представляется уникальной, не связанной с кимберлитовым магматизмом.

В Институте горного дела экспериментально, методом физического моделирования поведения акустических гармонических сигналов в блочных средах под нагружением, доказано, что на стадиях предразрушения очаговые зоны динамических форм проявления горного давления могут уподобляться своеобразной "геомеханической лазерной системе", т. е. акустически активной среде, способной к когерентному излучению сейсмической энергии (рис. 5.21). Полученный результат свидетельствует о том, что при анализе и изучении механизмов формирования очагов землетрясений, горных ударов и других процессов разрушения геоматериалов следует учитывать то обстоятельство, что квазистатические процессы накопления упругой энергии в очаговых зонах всегда идут на акустическом фоне – от естественных микросейсмов до сложных волновых явлений, сопровождающих импульсные сейсмические воздействия от удаленных землетрясений, взрывов и т.п.

В этом же Институте на основе решения обратной задачи активного прозвучивания слоистой среды показано, что разрывные нарушения могут выступать в качестве индикатора напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Основой такого подхода (чувствительность которого, по проведенным оценкам, в 3–5 раз выше, чем при контроле напряжений на основе изменения скорости волн в породном массиве) служит нелинейный характер зависимости , описывающей связь напряжение–конвергенция берегов вдоль разрывных нарушений. Практическое применение полученного результата связано с мониторингом напряженного состояния породных массивов на основе анализа изменения жесткости межслоевых контактов K_i (рис. 5.22), а также определения их числовых значений.

В Институте горного дела Севера ОИМЗиОПРК на основе градиентного подхода разработан критерий возникновения трещины сдвига в зоне концентрации сжимающих напряжений. Для материала, подчиняющегося условию прочности Кулона, получены выражения для критического давления, при котором на контуре эллиптического отверстия или выработки эллиптического профиля возникают трещины сдвига, приводящие к разрыхлению и разупрочнению материала. Сопоставление результатов расчета критического давления с известными экспериментальными данными, полученными на моделях из гипса, подверженных одноосному сжатию, показывает преимущество предложенного критерия (рис. 5.23).

В Институте угля и углехимии завершена разработка новой оригинальной методики вибродиагностики роторных машин и механизмов, используемых в горной, энергетической и химической промышленности. Подход состоит в разложении нелинейных процессов автоколебаний гибких роторов на линейные координатные составляющие, поддающиеся классификации и систематизации. Принципиально новой является разработка базисных наборов моделей координатных составляющих вибраций различного частотного состава и их комбинаций – модельных годографов (рис. 5.24). Структура моделей позволяет объяснить и систематизировать аномальные изменения спектров отдельных компонент вибрации, перераспределения амплитуд между высшими гармониками, проявляющиеся в практической вибродиагностике.

Тувинским институтом комплексного освоения природных ресурсов разработан и внедрен в производство на опытно-эксплуатационном полигоне технологический комплекс гравитационного извлечения тонкодисперсного золота из окисленных руд (рис. 5.25).

ГЕОГРАФИЯ, МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ, ГЕОЭКОЛОГИЯ, ГЕОПОЛИТИКА

Институтом водных и экологических проблем изучена многолетняя динамика годового стока рек бассейна Верхней Оби с учетом ледниковой составляющей. Разработана и апробирована на примере Алтая имитационная модель расчета режима ледников, как источников гарантированного речного стока. На ее основе изучено влияние термического режима на составляющие баланса ледников, дан прогноз на 2025 и 2050 гг. состояния оледенения в бассейне р. Актру, ожидаемого отступления языка ледника и понижения его уровня, уточнена датировка моренных комплексов голоцена и позднего плейстоцена (рис. 5.26). Модель может быть использована для оценки неотектонических движений в районе древнего оледенения и для других палеогеографических реконструкций.

В этом же Институте при проведении натурных экспериментов на Новосибирском водохранилище выявлена нерегулярность событий взвешивания донных наносов длительностью от 3–5 до 20–40 с. Используя для анализа флуктуаций возвышений свободной поверхности воды методы вейвлет-преобразования, позволяющие разложить сигнал по базису некоторых функций, хорошо локализованных в частотном и во временном пространствах, можно проследить изменения частотной структуры волнения во времени. Установлено, что основные события взвешивания наносов синхронизированы с появлением групп сравнительно высоких инфрагравитационных волн (рис. 5.27), что является первым подтверждением известной гипотезы о значительной, а возможно, и ключевой роли инфрагравитационных волн в литодинамике береговой зоны водоемов.

В Институте мерзлотоведения ОИМЗиОПРК разработан численно-графический метод реконструкции палеотемператур поверхности мерзлых горных пород на момент максимума сартанского оледенения (18–20 тыс. лет) по данным геотермических измерений в глубоких скважинах районов с нестационарной криолитозоной. С его помощью оценены палеотемпературы и палеомощности мерзлых пород сартанской эпохи в 19 пунктах на севере Западной Сибири и в низовьях Енисея (рис. 5.28). Установлено, что в сартанское время температура мерзлых пород и воздуха была на 9–12 ^оС ниже современной. Севернее Полярного круга, вероятно, существовал ледник, вследствие чего температура пород здесь была выше, чем в более южных районах.

В Институте криосферы Земли впервые выявлен баротермический эффект в мерзлых грунтах. Анализ условий равновесия фаз в пористом теле показал, что при повышении давления в твердой фазе температура плавления заполняющего объем пор материала понижается независимо от характера поведения фазовой диаграммы, имеющей место для его объемных частей (рис. 5.29, А). Аналогичное смещение происходит при противоположном изменении давления в жидкой фазе. Этот результат может иметь важные следствия как при описании геологических явлений, так и в процессах химических технологий. Эффект учтен в моделях тепломассопереноса, и получено объяснение аномальному распределению температуры в реликтовой мерзлой толще вблизи г. Салехард (рис. 5.29, Б). Существование аномального профиля температуры возможно в течение нескольких тысячелетий и может рассматриваться как индикатор потепления климата в прошлом.

Байкальским институтом природопользования БОИП совместно с Институтом леса проведен дендроклиматический анализ прироста деревьев сосны в степной зоне Бурятии и использованы древесно-кольцевые хронологии для выявления закономерностей колебаний увлажнения в Забайкалье (рис. 5.30). Реконструкции показателей водного режима свидетельствуют, что за последние 250 лет динамика осадков и уровня озера Байкал не претерпела существенных изменений. Установлено, что рост зимних температур пока не привел к изменению водного баланса территории Забайкалья. Выявленные цикличности в колебаниях характеристик водного режима позволяют создать статистическую модель прогноза динамики уровня Байкала.

Институтом геологии нефти и газа совместно с Институтом геологии ОИГГМ разработана концепция эффективного функционирования нефтегазового комплекса России до 2030 г., включающая исследование ресурсного потенциала, обоснование уровней добычи нефти и газа по регионам, эффективности энергопотребления, уровней экспорта с указанием источников формирования и направлений поставок. Особое внимание уделено развитию Западно-Сибирского нефтегазового комплекса и формированию новых крупных центров добычи нефти и газа в Восточной Сибири, Республике Саха, на шельфе Баренцева и Охотского морей, определению последовательности ввода месторождений в разработку, объемов, составов и областей использования нефти, газа и попутных компонентов, разработаны принципиальные схемы развития транспорта газа на внутренний рынок России и на экспорт.