Under construction

Лаборатория создана в 1994 г. на базе лаборатории, возглавляемой академиком В.В. Адушкиным, базовым направлением исследований которой являлось изучение геофизических процессов, сопровождающих подземный ядерный взрыв (деформационные и электродинамические процессы, движение флюидов в нарушенных средах и т.д.).

 

 

Заведующий лабораторией – А.А. Спивак, докт. физ.-мат. наук, профессор кафедры "Теоретическая и экспериментальная физика геосистем" Московского физико-технического института

Основные направления исследований:

1. Установление природы и механизмов генерации, преобразования и взаимодействия геофизических полей в приповерхностной зоне Земли (среда обитания) на основе проведения комплексных инструментальных наблюдений за геофизическими полями на участках земной коры с разной тектоникой
2. Определение роли разломных зон земной коры в формировании режимов геофизических полей.
3. Установление влияния слабых возмущений земной коры (деформация в результате лунно-солнечного прилива, барические вариации в атмосфере и т.д.) на геодинамические процессы, амплитудные и спектральные характеристики геофизических полей.
4. Разработка феноменологических и численных моделей преобразования энергии между геофизическими полями разной природы.
5. Разработка моделей литосферно-атмосферных взаимодействий в среде обитания.

Наиболее важные результаты работы:

Общий вид склонов в окрестности г.Грозио, опасных по склоновым явлениям

1. Разработан новый подход к определению степени механической устойчивости горных склонов, основанный на анализе дискретной составляющей микросейсмических колебаний (импульсные события релаксационного типа) и дифференциальных вертикальных движений. Выполнена верификация метода при ранжировании по степени предрасположенности к склоновым явлениям наиболее опасных участков Южных Альп в долине Валтеллина (Италия). Для проведения постоянного контроля за состоянием склонов и предупреждения склоновых явлений в коммуне Грозио (Ломбардия, Италия) был организован совместно с ОКБ РАН "Международный Геофизический Центр "Грозио" с задачами постоянного геофизического мониторинга за состоянием склонов и разработкой и внедрением схем использования экологически чистых источников энергии, использующих солнечную и ветровую энергию.

2. По результатам инструментальных наблюдений на карьерах Курской магнитной аномалии установлено:     1) массовые короткозамедленные взрывы и вызванное ими разрушение горных пород вызывают электромагнитные импульсы,     2) параметры сейсмического сигнала от массовых взрывов в широком диапазоне расстояний (до 600 км и более) определяются не общей массой ВВ, а количеством одновременно взрываемого ВВ в группах скважин,     3) спектр сейсмовзрывного сигнала в отличие от землетрясений имеет хорошо выраженную модуляцию с периодом, определяемым временем задержки между взрывами групп скважин, что служит хорошим критерием при распознавании слабых землетрясений и карьерных взрывов.

Внутренний вид центрального трехкомпонентного пункта сейсмической регистрации (слева) и его внешнее оборудование (справа: солнечная батарея электропитания приборов, радио антенна для передачи результатов регистрации в пункт сбора и обработки информации)         

 

На карьере Лебединского ГОКа

 

3. Разработан новый подход к диагностике геодинамического состояния локальных участков земной коры на основе использования мобильных малоапертурных сейсмических групп. Метод, позволяющий оценивать и прогнозировать степень механической устойчивости среды, в том числе в условиях возмущений, вызванных строительством и эксплуатацией особо ответственных сооружений, верифици рован при выборе участков под строительство подземных захоронений радиоактивных отходов на территории ПО"Маяк", а также при анализе геодинамического режима разломных зон и наиболее ответственных участков территории Нововоронежской АЭС. 

 

4. Выполнен цикл работ по оценке геоэкологического состояния мегаполисов. По результатам верификации предложенной методики в г.Москве было впервые установлено, что геофизические поля мегаполиса (электрическое поле, поля сейсмических и акустических колебаний) не только в целом заметно превышают по амплитуде значения, регистрируемые вне зоны влияния города, но одновременно характеризуются сильной пространственной изменчивостью. В рамках этих исследований выполнен разработка методики определения вибрационных и акустических полей, которая успешно прошла испытания при обосновании возможности проведения высокоточных измерений и прецизионного производства при внедрении нанотехнологий в подразделениях РКЦ "Курчатовский институт".

Старший научный сотрудник Д.Н. Локтев выполняет замеры скорости и ускорения микроколебаний для определения начальных параметров установки электронного микроскопа высокого разрешения

5. По результатам инструментальных наблюдений за геофизическими полями на участках земной коры с разной тектоникой установлено:

1) Разломные зоны разного ранга играют активную роль в межгеосферных взаимодействиях на границе земная кора-атмосфера; 2) Существует определенный тип активных нарушений земной коры, которые играют роль не только структурных границ между блоками, но одновременно являются границами участков земной коры, отличающихся интенсивностью геодинамических процессов и межгеосферных взаимодействий; 3) Вариации атмосферного давления оказывают избирательное влияние на спектральные характеристики микросейсмического фона. Циклоны и антициклоны вызывают аномальные амплитудные вариации микросейсмического фона в диапазоне частот 0,03-1 Гц.       Микробарические вариации, вызванные прохождением атмосферных фронтов, вызывают не только амплитудные вариации в более высокочастотной части спектра микросейсмического фона (диапазон 4-8 Гц), но одновременно приводят к значительному увеличению дискретной составляющей фона в виде слабых импульсных событий, что свидетельствует о существенном увеличении интенсивности релаксационных процессов в земной коре.  4) При установлении участков земной коры с повышенной деформируемостью (например, разломных зон) на основе радоновой съемки наряду с локальными пространственными вариациями объемной активности подпочвенного радона, которые могут быть связаны с неравномерностью распределения источников в среде, необходимо привлекать временные вариации радоновых эманаций в виде суточных и двухнедельных изменений, а также учитывать время запаздывания отклика радоновых эманаций на слабые возмущения в виде твердоприливной деформации земной коры и барических вариаций в атмосфере.

Коэффициент нормальной жесткости разломов разного ранга Прецессия блока земной коры, вызванная приливной деформацией Интенсивность релаксации среды в моменты прохождения атмосферных фронтов

Основные публикации сотрудников лаборатории за период 2010-2012 гг.:

1. А.А. Спивак. Особенности геофизических полей в разломных зонах//  Физика Земли. 2010. № 4.

   Приведен анализ результатов инструментальных наблюдений за геофизическими полями на нескольких участках земной коры сложного структурно-тектонического строения. Анализируются: электрическое поле в приземном слое атмосферы и на приповерхностных участках земной коры, магнитное поле на земной поверхности, а также поля, сформированные микросейсмическими колебаниями и эманацией природного радона. Показано, что  разломные зоны характеризуются существенно более высокими (по сравнению с серединными участками структурных блоков земной коры) вариациями геофизических полей, интенсивным откликом на слабые внешние воздействия в виде твердого луно-солнечного прилива и барических вариаций атмосферы, а также интенсивностью релаксационных процессов. Преимущественно в разломных зонах наблюдается трансформация энергии между геофизическими полями разной природы.  

    

2. Т.В. Лосева, М.Ю. Кузьмичева, А.А. Спивак. Электрические и магнитные сигналы при стесненных движениях блоков земной коры// Доклады академии наук. 2010. Т. 432. № 5.

   Приведены результаты регистрации электрического поля в приповерхностном слое земной коры в зоне влияния тектонически активной Курайской структуры (горный Алтай). Предложена новая модель генерации электрических и магнитных импульсов в земной коре при электрической поляризации горных пород с низким водосодержанием в результате квазинезависимого поворота структурного блока при его релаксации в стесненных условиях. Приведены результаты численного 3D моделирования процесса генерации электрических и магнитных импульсов при дифференциальной подвижке активного структурного блока земной коры. Показано, что амплитуда электрического и магнитного импульсов, возникающих в окрестности активной грани деформирующегося блока, может достигать соответственно 0,01-0,1 мВ/м и 0,05–1 мкТл на расстояниях 50-100 линейных размеров блока, что хорошо согласуется с результатами инструментальных наблюдений.

3. С.Б. Кишкина, А.А. Спивак, Микросейсмический шум севера Европейской части России по результатам сейсмической регистрации в г. Воркута// Вулканология и сейсмология. 2010. № 4.
   
   Проведены исследования микросейсмического шума для условий г.Воркута в диапазоне частот 0,5-30 Гц. Представлена модель сейсмического шума в виде спектральных плотностей мощности скорости колебаний отдельно для дневного и ночного периода времени в разных диапазонах частот. Абсолютный уровень шума в г.Воркута в диапазоне частот 1-5 Гц изменяется от – 140 до – 150 дБ в дневное время и в диапазоне5-10 Гц от –152 до –158 дБ в ночное время, в диапазоне 8-15 Гц – от -140 до – 155 дБ в дневное и от –155 до –165 дБ в ночное время. Наблюдаются выраженные суточные вариации амплитуды шума в диапазонах частот 1,5 – 3 Гц и 14 – 17 Гц. В течение суток амплитуда шума изменяется на 7 дБ, причем, амплитуда вариации горизонтальной составляющей на 5 дБ выше амплитуды вариации вертикальной компоненты. Спектральные плотности мощности скорости колебаний в микросейсмическом фоне характеризуются наличием ряда спектральных пиков, центральная частота которых за весь период инструментальных наблюдений изменяется не более, чем на 0,15 Гц. Сейсмический фон г. Воркута характеризуется наличием сейсмических событий от удаленных землетрясений и местных промышленных взрывов.

4. S.B. Kishkina, A.A. Spivak. Display of resonance properties of the rock massif in microtremors // Rock Mech. Civil&Environmen. Engineering. 2010. Taylor&Francis Group. London.

   An estimation of the parameters of microtremors has been performed using the microtremor data registered in different regions. The analysis has shown that quasi-harmonic components are present in all microseismic records. These quasi-harmonic components can be divided into two types by the origin: man-caused and natural-resonance. It is shown that in the absence of amplitude modulation of microseismic background as a whole, an external disturbance coming from the environment, such as the tidal force causes responses of different rock massifs in the form of modulation of background microtremors in different frequency intervals. Thus the maximal change of spectral density amplitude is detected for quasi-harmonic fluctuations.

    

5. В.В. Адушкин, А.А. Спивак. Приливная сила как триггер геофизических процессов в окружающей среде // Триггерные эффекты в геосистемах. М.: ГЕОС, 2010.
   
   Гравитационное взаимодействие в системе Земля-Луна-Солнце является одним из важнейших факторов, определяющих динамические процессы в недрах Земли и ее оболочках-геосферах. Постоянно присутствующее воздействие Луны и Солнца на земную кору, следствием которого является твердый прилив, определяет не только механику ее деформирования, преобразование вещества, но также режимы геофизических полей и интенсивность межгеосферных взаимодействий на границе земная кора/атмосфера.

   Последствия твердого прилива, выраженные в виде разуплотнения вещества в приливном горбе (и, как следствие, в изменяющемся наклоне земной поверхности) вызывают преобразование структуры земной коры, вариации режима подземных вод, а также изменение физико-механических характеристик горных пород на приповерхностных участках Земли.
   Изменение свойств (в частности, микротрещиноватости) вещества разломных зон и земной коры в целом, а также режима подземных вод в результате прилива определяет особенности геоэлектрических эффектов, проявляющихся в формировании устойчивых околосуточных вариаций поля земных токов, периодичностей электрического поля в грунте в результате электрокинетического эффекта, а также в возникновении характерных периодичностей в дискретной составляющей электрического поля на приповерхностных участках земной коры.
   Имеющиеся данные в целом свидетельствуют о заметном влиянии приливной деформации на вариации микросейсмического фона. Результаты многочисленных измерений, выполненных на разных по своим свойствам участках земной коры, показывают, что лунно-солнечный прилив вызывает отклик поля микросейсмических колебаний в определенных частотных интервалах в виде периодических вариаций среднеквадратической амплитуды с периодами, близкими к 12 и 24 ч. При этом следует отметить, что сам частотный интервал, в котором наблюдается модуляция амплитуды микросейсмического фона приливом, разный для разных участков земной коры и может рассматриваться в качестве некоторой характеристики их геодинамических свойств.
   Значительна роль приливного фактора в интенсивности выхода подземных газов. Изменение проницаемости каналов миграции подземных газов в результате разуплотнения среды в приливной волне деформации приводит к вполне определенным периодичностям и цикличностям, например, радоновых эманаций.
   Многократно повторяющееся приливное лунно-солнечное возмущение литосферы следует рассматривать в виде тектонического фактора, определяющего процессы накопления деформаций и напряжений, в первую очередь – в зонах нарушения сплошности среды. С этой точки зрения приливная волна деформации в среде блочно-иерархического строения не может не оказывать влияние на процессы, связанные, в частности, с подготовкой землетрясений. Имеющиеся данные свидетельствуют не только о связи частоты землетрясений (в том числе слабых) с периодичностями приливной волны деформации, но также о влиянии приливных эффектов на пространственное распределение очагов землетрясений.
   Помимо воздействия на твердые оболочки Земли приливная деформация отчетливо проявляется также в атмосферных процессах и в ряде физических процессов, определяя, например, вариации потока тепловых нейтронов из земной коры, а также оказывает влияние на глобальные процессы: инерционные и резонансные явления в ядре Земли, процессы на границе ядро-мантия. Более того, нельзя исключать геологические последствия твердого прилива. В отличие от морского прилива энергия твердоприливной деформации не рассеивается в литосфере. Это вызывает накопление напряжений в среде и влияет, таким образом, на направленность геологических процессов вследствие постоянного присутствия приливного возмущения в течение значительного периода эволюции Земли.
   

   
   В целом приливную силу следует рассматривать в качестве одного из важнейших факторов, которые не только определяют режимы геодинамических и геофизических процессов, но также являются их триггерами.

    

6. А.А. Спивак, Д.Н. Локтев, С.П. Соловьев. Мобильный комплекс синхронной регистрации геофизических полей // Динамические процессы в геосферах. М.: ГЕОС, 2010.

   Сформулированы основные цели и задачи оперативных инструментальных наблюдений за геофизическими полями на границе земная кора - атмосфера с помощью мобильного регистрирующего комплекса. Приведены состав и технические характеристики измерительных средств мобильной геофизической лаборатории ИДГ РАН.

    

7. А.А. Спивак. Оценка жесткости разломных зон земной коры на основе сейсмических данных // Физика Земли. 2011. № 7.

   На основе анализа нелинейных эффектов при распространении сейсмических волн определена механическая жесткость тектонических разломов разного ранга. Объектами исследований являлись тектонические структуры центральной части Восточно-Европейской платформы (Московская синеклиза и Воронежский кристаллический массив), а также разломные зоны горных массивов Балапан и Дегелен (Дегеленский магматогенный узел Центральночингизской зоны) в Казахстане. Получена зависимость жесткости разломных зон от их протяженности. Анализ данных свидетельствует о хорошо выраженных временных вариациях жесткости тектонических структур с периодами 13-15 сут, 27-32 сут и около 1 года. При этом как нормальная k_n, так и сдвиговая k_s жесткость разломных зон разного ранга могут изменяться соответственно в 1,3 (двухнедельные вариации) 1,5 (месячные вариации) и 2,5 раза (годовые вариации).

    

8. S.D. Kishkina, D.N. Loktev A.A., Spivak. Geodynamic diagnostics of the local Earth's crust areas in the prediction and warming of nature and man-caused phenomena dangerous // Environ. Geosciences&Engineer. Survay. RFBR. 2011.

   New approach for determination of the geodynamical stability degree of the local Earth's crust areas including mountainsides and fault zones is proposed on the basis of the synchronous registration of geophysical fields (microseismic vibrations, electric fields in soil and in the near-surface atmosphere, radon emanation field) [1]. Spatial and temporal variations of geophysical fields are analysed with the purpose of the faults mapping and determination of zones characterized by weak strength and heightened deformability [2]. Also discontinuous field components in the form of impact microseismic oscillations of relaxation type and electromagnetic impulses are analysed. The magnitude of the response of geophysical field variations to external weak disturbances in the form of the lunisolar tide and atmosphere's baric variations resulting from cyclonic disturbances and atmospheric fronts passing is examined as highly informative factor [3]. For example, determination of the fault activity degree is realized on the basis of the analysis of temporal variations of the subsoil radon volumetric activity in the form of daily and two-week periodicities, and dead time of radon emanation response to weak disturbances.

   Mechanical rigidities of the faults are determined on the basis of the analysis of nonlinear effects accompanying propagation of the seismic waves through the fault zones.

   The typical size of the active Earth's crust structural blocks and their mobility are estimated on the basis of the analysis of spectral characteristics of the microseismic impact oscillations and ambient noise.

   Change of medium structure and its mechanical stability are determined on the basis of the analysis of changes of the parameters describing ambient noise, microseismic impacts of relaxation type and their sources spatial clusterization, electromagnetic impacts and radon emanation.

   Examples of approach verification carried out at the several local Earth's crust areas are discussed (for example, ranking of the faults of different activity located at the territories of adventure "Mayak" (choice of the plots for underground nuclear waste) and Novovoronezh nuclear power plant; ranking of mountainsides of different predisposition to slope phenomena (Grosio, the South Alps, Italy). Also concrete configuration of the monitoring system are discussed.

    

9. А.А. Спивак, В.В. Шувалов. Вариации радоновых эманаций как характеристика степени деформируемости разломных зон земной коры // Динамические процессы в геосферах. Вып. 2. М.: ГЕОС. 2011.

   Для повышения достоверности картирования разломных зон земной коры и оценки их современной активности при выборе участков под строительство особо ответственных сооружений предлагается одновременно с пространственными характеристиками поля радоновых эманаций привлекать данные о временных вариациях объемной активности подпочвенного радона. Показано, что наиболее слабые участки разломных зон, характеризующиеся повышенной деформируемостью и, следовательно, предрасположенностью к потере механической устойчивости в процессе строительства и долговременной эксплуатации крупномасштабных объектов характеризуются повышенными временными вариациями радоновых эманаций в результате воздействия лунно-солнечного прилива и барических вариаций в атмосфере. Сравнение результатов численных расчетов и данных инструментальных наблюдений свидетельствует о заметных изменениях как проницаемости разломных зон, так и характеристик фильтрационного потока в приливной волне.

    

10. В.В. Адушкин, А.А. Спивак. В.А. Харламов. Влияние лунно-солнечного прилива на вариации геофизических полей на границе земная кора-атмосфера // Физика Земли. 2012. № 2.

    В работе рассмотрены эффекты воздействия внеземных сил в виде гравитационного взаимодействия в системе Земля-Луна-Солнце на особенности развития природных процессов в окружающей среде. На основе результатов инструментальных наблюдений выделены основные периодичности и цикличности временных вариаций ряда геофизических полей и процессов на границе земная кора-атмосфера. По результатам корреляционного анализа сделано заключение о том, что основным фактором, определяющим околосуточные и двухнедельные вариации электрического поля в грунте, эманационного поля радона, уровня подземных вод и поля микросейсмических колебаний является лунно-солнечный прилив. Анализируется также роль приливной деформации в формировании разномасштабных блоковых движений в земной коре. В важной для платформенных областей проблеме вертикальных, горизонтальных и вращательных перемещений структурных блоков выявлена новая форма движения блоков, близкая к прецессии, которая возникает в результате разновременной реакции блока и примыкающих к нему межблоковых промежутков либо тектонических структур с отличающимися прочностными и деформационными свойствами на действие приливных сил в разных направлениях.

11. В.В. Адушкин, А.А. Спивак. Приповерхностная геофизика: комплексные исследования литосферно-атмосферных взаимодействий в окружающей среде // Физика Земли. 2012. № 3.

    Формулируются основные направления и задачи исследований по проблеме межгеосферных взаимодействий на приповерхностных участках континентальной земной коры, представляющих наибольший интерес с точки зрения формирования условий жизнедеятельности человека. Установлены основные периодичности вариаций геофизических полей, определяющие природные ритмы окружающей среде. Рассматриваются взаимодействие и преобразование геофизических полей (электрическое поле в грунте и в приземном слое атмосферы, поля радоновых эманаций и микросейсмических колебаний). Отмечается важная роль тектонических нарушений и слабых возмущений твердой Земли в виде лунно-солнечного прилива и барических вариаций в атмосфере в формировании режимов геофизических полей на границе земная кора-атмосфера. Данные, полученные в результате синхронных инструментальных наблюдений, демонстрируют взаимовлияние и значимую корреляцию между амплитудными вариациями геофизических полей разной природы.

     

12. Б.Г. Лукишов, А.А. Спивак, А.А. Тер-Семенов. Вариации геомагнитного поля при распространении сейсмических волн через разлом // Доклады академии наук. 2012. Т. 442. № 3.
    Приведены результаты систематических инструментальных наблюдений за вариациями геомагнитного поля в зонах влияния тектонических разломов при распространении сейсмических волн разной интенсивности. Показано, что сейсмические волны с амплитудой, превышающей 5-10 мкм/с, при распространении через разломную зону всегда вызывают вариации геомагнитного поля. При более слабых сейсмических возмущениях эффект имеет "мерцательный" характер, причем относительная частота возникновения эффекта падает с уменьшением амплитуды сейсмической волны. Впервые установлена количественная зависимость между максимальным значением полного вектора вариаций индукции геомагнитного поля в зоне разлома и амплитудой сейсмического возмущения.

13. Т.В. Лосева, А.А. Спивак, М.Ю. Кузьмичева. Дипольная модель генерации электрических импульсов при релаксационных процессах в земной коре // Доклады академии наук. 2012. № 3.

    Разработана новая численная модель генерации электрических импульсов в земной коре системой электрических диполей, равномерно распределенных по активной поверхности релаксирующего структурного блока при его стесненном повороте. Электрические моменты диполей изменяются со временем в соответствии с амплитудой дифференциальных движений. Показано, что амплитуды электрических импульсов и степень их затухания с расстоянием до источника соответствуют данным инструментальных наблюдений.

14. В.В. Адушкин, С.А. Рябова, А.А. Спивак. В.А. Харламов. Отклик сейсмического фона на геомагнитные вариации // Доклады академии наук. 2012. Т. 444. № 3.

Анализируются результаты синхронной регистрации геомагнитных вариаций и сейсмических измерений на Геофизической обсерватории «Михнево» ИДГ РАН. Показано, что SI-импульс, сопровождающий магнитные возмущения, вызывает повышенные амплитудные вариации микросейсмических колебаний в частотном диапазоне 0,010,1 Гц. Впервые установлена количественная зависимость между амплитудой внезапного геомагнитного импульса и максимальной амплитудой вариации среднеквадратической скорости колебаний в микросейсмическом фоне.