Исследования теплового поля Земли и полей радиогенных газов как индикаторов геодинамических процессов

Объектом исследования являются геодинамические процессы, происходящие в геосферах в настоящее время и происходившие в прошлом, в период формирования Земли как планеты. Цель работы – комплексные геофизические исследования геодинамических процессов на основе наблюдений тепловых полей, полей радиогенных газов, проявлений процессов разрушения в акустических полях. Новизна исследований определяется полученными новыми лабораторными и натурными экспериментальными данными и достигнутым уровнем теоретического осмысления геодинамических процессов, их проявления в тепловом поле и полях радиогенных газов. Важный этап тепловой эволюции Земли связан с высвобождением кинетической энергии при столкновении Протоземли с крупными телами ~1000км. По мнению многих авторов это приводит к формированию во внешних областях протопланеты, так называемого «океана магмы». Остается открытым вопрос о размерах этого слоя и темпах его охлаждения. Предлагают три различных сценария кристаллизации магматического океана: твердая мантия появляется на границе ядро-мантия и растет вверх; появляется на верхней и растет вниз; либо появляется на глубине средней мантии и растет в обоих направлениях. В последнем случае появляются два слоя океана магмы: верхний слой (TMO - Top magmatic ocean) и базальный океан магмы (BMO - Basal magmatic ocean), находящийся в основании мантии на границе с ядром. Недавние оценки проводимости ядра Земли примерно в два-три раза выше некоторых более ранних оценок. Это способствует более высокой степени предполагаемого охлаждения ядра, и до рождения внутреннего ядра, древняя граница ядро-мантия (CMB – Core mantle boundary), возможно, была горячее, чем температура солидуса пород в нижней мантии. Возможно, ранний механизм генерации и поддержания магнитного поля реализуется не в ядре, а в долго остывающем слое BMO, так называемое «силикатное динамо», благодаря реализации термохимической конвекции в этом слое. Для теоретических и экспериментальных исследований условий формирования теплового режима земной поверхности на Урале в прошлом и настоящем была сформирована база данных, включающая 30 скважинных термограмм, записанных в 2022-2023 гг. в гидрогеологических и наблюдательных скважинах на территории Екатеринбурга и в его окрестностях. Термограммы, записанные в центральных плотно застроенных районах Екатеринбурга, главным образом, отражают утечки тепла из подвалов зданий и подземных коммуникаций. Выделить климатический сигнал из этих термограмм практически невозможно. Для реконструкции истории изменения температуры земной поверхности были использованы данные температурных измерений в скважинах, расположенных на территории Института геофизики УрО РАН в юго-западном районе города и в скважине, находящейся сосновом лесу в поселке Верхняя Сысерть в 60 км к югу от Екатеринбурга. Изменения температуры земной поверхности в Верхней Сысерти происходили синхронно с изменениями температуры приземного воздуха (метеоданные), но с меньшей амплитудой. Изменения температуры земной поверхности на территории Института геофизики до середины 1970-х также проходили по климатическому сценарию, но затем стали отражать техногенные процессы. В развитие методики высокоточных температурных измерений скважин в 2023 г. были проведены экспериментальные исследования аппаратурного отклика скважинных термометров различных типов и математическое моделирование релаксационных кривых для термометров, обеспечивающих точность измерений на уровне 0,001К. Показано, что температурный отклик термометров на изменение температуры среды носит сложный характер, определяемый расстоянием от выносного датчика до корпуса прибора и постоянными времени датчика и прибора. Релаксационная кривая включает «окно», в пределах которого можно наиболее быстро и точно измерить невозмущенную температуру, а также избежать температурного конвективного шума, инициированного внесением в среду скважинного прибора с температурой, отличной от температуры среды. Продолжая исследования связи вариаций температуры в скважинах, объемной активности почвенного радона с тектоническими процессами в земной коре регионов с различающейся геодинамической обстановкой были выполнены мониторинговые наблюдения на геодинамических полигонах: Южно-Курильском, Северо-Кавказском и Уральском. Установлена станция температурного мониторинга с системой подавления температурной конвекции в Южно-Сахалинске. Возобновлен температурной мониторинг в скважине KUN-1 в Южно-Курильске. Проведена интерпретация наблюдений ОАР на Южно-Курильском полигоне за 2019-2023 гг. Подтверждены ранее полученные закономерности поведения объемной активности радона при подготовке землетрясений в Южно-Курильском регионе. Проведен анализ применимости полученных закономерностей в зоне субдукции, для геолого-тектонических условий других регионов. Переинтерпретированы мониторинговые наблюдения радона-220 (торона) и радона-222, полученные в 2002-2004 гг. на Северном Тянь-Шане. Оценены прогностические возможности торона, как краткосрочного предвестника землетрясений. Выполнен анализ вариаций ОАР в период афтершоковой активности. Отмеченные закономерности аномального поведения ОАР перед афтершоками в районе г. Катав-Ивановск характерны для деформаций сжатия в зоне проведения радонового мониторинга. Установлено, что предполагаемые деформации сжатия проявились в гидрогеодинамическом поле по крайней мере за 10 лет до самого события. Приуроченность очагов землетрясений к выделенной асейсмичной зоне в границах Восточно-Европейской платформы Предуральского краевого прогиба и Башкирского антиклинория свидетельствует о наиболее вероятных местах проявления сейсмических событий. Выполненные исследования высокотемпературной электропроводности показали ее существенное отличие для руд с высокохромистыми хромшпинелидами и для руд с низкохромистыми хромшпинелидами. Установленные различия могут быть использованы при сортировке хромитовых руд. В рамках заявленных исследований характера развития процесса разрушения горных пород проведен анализ спектра мощности акустического излучения с привлечением данных о закономерностях кинетики роста трещин при различных режимах развития процесса разрушения. Проведенный анализ позволил сделать вывод о том, что дискретный характер спектра мощности акустического излучения с ярко выраженными узкими пиками обусловлен ростом определенной группы магистральных трещин на этапе развития процесса разрушения. Результаты исследования позволили сделать прогноз возникновения какого-либо из возможных режимов развития процесса разрушения в момент времени.