назад

Лаборатория «Приповерхностная геофизика»

Сотрудники лаборатории

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:
  • 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
  • Определение роли разломных зон земной коры в формировании режимов геофизических полей
  • 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
  • Разработка феноменологических и численных моделей преобразования энергии между геофизическими полями разной природы
  • 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.

Слева: картирование активных тектонических структур на территории ПО "Маяк" с использованием пассивного сейсмического метода.

Справа: оборудование пункта оперативной сейсмической регистрации

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.