Диссертационныйсовет по геофизике Д.501.001.63

Ученый совет Отделения Геофизики

Куницын В.Е. - председатель Шелковников Н.К. - ученый секретарь Андреева Е.С. - секретарь

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫХ НАУЧНЫХ
РЕЗУЛЬТАТАХ

Исследованы особенности эволюции геомагнитного поля, связанные с инверсиями путем теоретического и экспериментального моделирования.
Совместно с сотрудниками физического факультета МГУ предложена простая конечномерная модель геодинамо, полученная из уравнений электродинамики средних полей и воспроизводящая феномен инверсий геомагнитного поля (рис 1). Показано, что шкала инверсий, получемая в рамках этой модели, достаточно близка по своим свойствам к наблюдаемой (рис. 2). Механизм инверсий связан с влиянием флуктуаций α-эффекта.

Рис1 Пример инверсий в решении уравнений модели :поведение коэффициента α1

Рис 2 Пример шкалы полярности, симулированной с помощью модели (слева) в сравнении с участком шкалы, построенной по палеомагнитным данным (справа)

Проведено теоретическое исследование процессов в ядре с помощью разработанной модели генерации ГМП. Установлено, что модель генерации ГМП может осуществлять переполюсовки (инверсии) ГМП только при наличии флуктуаций жидкой плазмы внешнего ядра.
Продолжены исследования особенностей самообращения намагниченности горных пород и анализ встречаемости явления самообращения в горных породах разного возраста из различных частей Земного шара.
Установлено, что явление самообращения TRM наблюдалось при лабораторном моделировании в базальтах разного возраста, (от 0,03 млн. лет (экскурс Лашамп-Олби) до 76 млн.лет). В этом периоде времени на магнитохронологической шкале отмечена смешенная полярность (Рис.2). Кроме того, в траппах Якутии (трубка Комсомольская, возраст 256 млн.лет) при регомогенизации твердого раствора Fe3O4-Fe2TiO4-Mg2TiO4 в лабораторных экспериментах было обнаружено самообращение TRM. На магнитохронологической шкале в это время (~ 256 млн. лет) отмечается частая смена полярности ГМП.
Было установлено, что явление самообращения связано с определенным составом ферришпинелидов: в кимберлитах Ботсваны: Fe3O4 от 0,4 до 0,65; Fe2TiO4 до 0,19; Mg2TiO4 до 0,18 и FeCr2O4, в базальтах: TiO2 21-23%, MgO - 1,3 - 2%, а Al2O3 3-5%., в 0,1 и зависит от степени окисления.
Были проведены эксперименты по исследованию влияния окисления титаномагнетита океанских базальтов на явление самообращения термоостаточной намагниченности (TRM). Показано, что первичная самообращенная термоостаточная намагниченность базальтов в течение последующей геологической истории может поменять знак. Направление естественной остаточной намагниченности таких базальтов с самообращенной первичной TRM будет уже совпадать с направлением древнего геомагнитного поля.

Рис3. Зависимость намагниченности PTRM (Т=[320-300], H=0,1мТл) от времени выдержки при Т=280C-290С в отсутствие поля

На основе лабораторных исследований природы и стабильности естественной остаточной намагниченности (In), гистерезисных характеристик и доменной структуры ферримагнитных зерен подводных базальтов Красного моря и хребта Буве доказана сохранность палеомагнитной информации содержащейся в естественной намагниченности некоторых образцов.
По этим образцам методом Телье определена палеонапряженность (Ндр) геомагнитного поля во время образования рифтовой зоны Красного моря и хребта Буве - 0.2-0.3 млн лет назад (южная оконечность срединно-атлантического хребта - САХ).
Оказалась, что в районе Красного моря величина Ндр 0.5 млн лет назад была в (2-2,5) раза больше, чем современное ее значение в этом районе (Нсовр), величина Ндр в районе хребта Буве - на 16% больше Нсовр. На основе этих данных был сделан вывод, что виртуальный дипольный момент Земли 0.5 млн лет назад был в 1.5 раза больше современного его значения.

Рис.4. Изображение магнитного контраста однодоменной частицы, полученного на магнитосиловом микроскопе, и результаты численного моделирования.

,

Рис.5. Места отбора образцов базальтов Красного моря и хребта Буве

В лаборатории сейсмологии выявлены закономерности развития роевой сейсмической активности. Ранее по данным лабораторных экспериментов были выявлены закономерности возбуждения и релаксации переходных сейсмических режимов, подобных афретшокам и сейсмическим роям. На настоящем этапе исследования были направлены на изучение природных сейсмических роев.
В качестве исходных данных использовался детальный каталог землетрясений Коринфского рифта, составленный в природной лаборатории Коринфского рифта (Corinth Rift Laboratory, CRL). В рамках проекта CRL в регионе проводились детальные сейсмологические и геофизические исследования, сейсмический режим представлен с большой подробности, его особенности описаны в литературе. В частности, известны два сейсмических роя - 2001 и 2004 годов.
Сейсмические рои были подвергнут анализу согласно разработанной на кафедре физики Земли методике: были оценены параметры сейсмического режима роев и исследованы их вариации во времени. Результаты свидетельствуют о проявлении в натурных условиях тех же закономерностей изменения параметров сейсмического режима что и в лабораторных экспериментах. На стадии возбуждения роевой активности наклон графика повторяемости уменьшается, а фрактальная размерность множества гипоцентров увеличивается; на стадии релаксации (уменьшения сейсмической активности) изменения обратные - увеличивается, уменьшается. Вариации параметров свидетельствуют, что на стадии возбуждения процесс разрушения развивается с перераспределением с младших масштабов на старшие, а на стадии релаксации - со старших на младшие.
Характер активизации и затухания роев оказывается аналогичным характеру развития и релаксации очаговых зон сильных землетрясений. Это открывает перспективу рассмотрения различных режимов сейсмичности как реализации в различных условиях одних и тех же физических процессов формирования и развития разрушения, что, в свою очередь, ставит вопрос об отыскании факторов и параметров, ответственных за реализацию в каждом конкретном случае соответствующего режима (в частности, возникновения роев или же сильных землетрясений).

По данным о механизмах очага землетрясений и тектонофизическим характеристикам сейсмически активных регионов проведены оценки величин предельных напряжений, которые способны выдержать горные породы земной коры. Объектом исследования бы район Курило-Камчатской островной дуги и прилегающих территорий.

Наиболее сильные землетрясения за исследуемый период произошли в центральной части Курильских островов и вблизи острова Хоккайдо.
Критические напряжения сдвига изменялись в диапазоне от 10Мпа до 140Мпа и уменьшались при увеличении давления флюида в составе горных пород.

Пространственное распределение максимальных касательных напряжений показало, что наибольшие их значения наблюдаются и районе острова Хоккайдо и в центральной части Алеутской островной дуги.

Область Курило-Камчатской зоны субдукции характеризуется малыми величинами внутренней прочности, что приводит к частым и сильным землетрясениям в этом районе.

В лаборатории геотермии продолжались экспериментальные исследования интенсивности теплопереноса в аморфных природных минералах и горных породах (обсидианы, базальтовые стекла) и технических материалах (плавленый кварц, силикатные стекла - флинты и крлоны). Изучены особенности и закономерности поведения теплопроводности λ, температуропроводности a, теплоемкости СР, средней длины свободного пробега фононов l этих стекловатых структур в зависимости от температуры и их химического состава. Полученные экспериментальные результаты обсуждены с позиций теории теплопроводности и теплоемкости твердых тел и сделаны следующие основные выводы:
- (по влиянию температуры) в полностью аморфных структурах (обсидиан, плавленый кварц, силикатные стекла) средняя длина свободного пробега фононов, находясь в пределах 4-7Å уже при комнатных температурах близка к минимально возможным значениям (~4 Å). Она практически не зависит от температуры или очень слабо уменьшается с ее ростом, достигая минимума вблизи температур свечения ~500K. Это объясняет аналогичный температурный характер поведения температуропроводности, низкие значения a и λ стекловатых аналогов кристаллов при одинаковых температурах и свидетельствует о доминирующей роли позиционного разупорядочения в структуре стекол на эффективность процесса рассеяния упругих волн смещений, переносящих тепловую энергию. Экспериментальный факт близости l к lmin в аморфных структурах при комнатных температурах объясняет также и физическую природу необычного, по сравнению с кристаллами, характера поведения (роста) кондуктивной теплопроводности аморфных структур, сходного с характером температурной зависимости теплоемкости их в исследованном интервале температур, определенным функцией Дебая.
Экспериментально наблюдаемое уменьшение a и λ в ряду кремнезема от кристаллического к плавленому кварцу и аморфным обсидианам, через скрытокристаллический халцедон, стекловатокристаллические опалы-гейзериты и ситалл СО115М, связано не только с увеличением атомной позиционной разупорядоченности, но и с уменьшением размеров кристаллитов в структуре. Первый фактор определяет рост аморфной фазы, а второй - увеличивает частоту рассеяния фононов на границах контактов кристаллитов. Оба фактора снижают длину свободного пробега фононов, которая в ряду кремнезема убывает от значений ~15,2 Å и ~11,4 Å крупнозернистого кварцита и скрытокристаллического халцедона, соответственно, до 5-6Å, близких к расчетным минимальным значениям для обсидианов и аморфнокристаллических опалов-гейзеритов. Аналогичным образом ведут себя температуропроводность и теплопроводность, превосходя у кварцитов (a=22,8∙10-7 м2/с и λ=4,5 Вт/мК), более чем в три раза указанные параметры по отношению к обсидианам и гейзеритам (a=7∙10-7 м2/с и λ=1,2 Вт/мК). Впервые показано, что основной вклад в теплосопротивление кварцитов вносят не границы зерен и примеси, а границы мелких кристаллических блоков диаметром ~50 мкм, из которых эти зерна сложены и количество которых, по крайней мере, на два порядка больше в единице объема породы, чем зерен.
Впервые выявлено, что для силикатных стекол [флинтов (ЛФ, Ф, ТФ) и кронов (ЛК, К, БК, ТК)] различного химического состава, a и λ линейно уменьшаются с увеличением среднего атомного веса М и плотности ρ. Получены зависимости a=f(M) и λ=f(M) и a=f(ρ) и λ=(ρ), вскрыта их физическая природа. Проведена количественная оценка вклада каждого из физических процессов, формирующих эти зависимости :60% величины снижения a и λ при увеличении концентрации тяжелых катионов Pb2+, Ba2+ связано с уменьшением скорости распространения фононов, а ~40% - с уменьшением их длины свободного пробега. Показано также, что удельная теплоемкость CP измеренных стекол является гиперболической функцией их среднего атомного веса M. Теплоемкость, приходящаяся на средний грамм-атом, представляющая собой аналог атомной теплоемкости простых веществ, есть величина постоянная, что легко объясняется в рамках теории теплоемкости твердых тел
Полученные результаты полезны не только при прогнозировании тепловых свойств эффузивных пород по плотности и среднему атомному весу M, не только для развития теории теплопроводности и теплоемкости многоатомных природных и искусственных материалов, но и в практическом отношении при производстве стекол с контролируемыми тепловыми свойствами,

В направлении исследований по термодинамике недр Земли получены следующие результаты:
на основе оригинальных расчетов температуры плавления вещества внутреннего ядра Земли на границе с внешним (Тпл≈6000К) и предположения о продолжающейся его кристаллизации, проведена оценка теплоты кристаллизации внутреннего ядра Q≈(2,4÷2,7)1029Дж. Полученное значение легло в основу расчета возраста внутреннего ядра, который при условии постоянства теплового потока из ядра в мантию qя≈(5÷15)1012 Вт лежит в пределах от 600 млн лет до 1,8 млрд лет.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ
сотрудников кафедры физики Земли за 2010-2011 год.

Учебники и учебные пособия

1. Петрунин Г.И., Попов В.Г. Теплофизические свойства вещества Земли. Учебное пособие. Москва, МГУ, физический факультет, 2011, 67 с.

2. Воронина Е.В. Физика очага землетрясения. Учебное пособие по спецкурсу. Москва, МГУ, физический ф-т. 2010, 115 с.

Научно-популярные издания

1. Воронина Е.В. Евгений Федорович Саваренский. Памяти учителя. Советский физик, 2010, ?1, с.33-36.

Статьи в реферируемых журналах

1. Трухин В.И., Максимочкин В.И., Минина Ю.А. Загадки природных ферримагнетиков. Вестник МГУ. Сер3. Физика, Астрономия, 2010, ?3, с. 49-53
2. Трухин В.И., Максимочкин В.И., Жиляева В.А., Минина Ю.А. Геомагнетизм и экология. Физические проблемы экологии (Экологическая физика), , с 326-349 (2010)
3. Максимочкин В.И, Мбеле Ж.Р., Трухин В.И., Шрейдер А.А. Палеонапряженность геомагнитного поля в последние полмиллиона лет в районах Красного моря и юга САХ. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия, ?6, с.99-105. .(2010)
4. Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Бернар П., Патонин А.В.. Закономерности переходных режимов сейсмического процесса по данным лабораторного и натурного моделирования // Физика Земли. ?2. с. 17-49. ( 2010).
5. Ponomarev A., Lockner D., Stroganova S., Stanchits S., Smirnov V. Oscillating Load-Induced Acoustic Emission in Laboratory Experiment // V. de Rubeis et al. (eds.), Synchronization and Triggering: from Fracture to Earthquake Processes, Geoplanet: Earth and Planetary Sciences 1, DOI 10.1007/978-3-642-12300-9_9, # Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2010).

Тезисы докладов, публикации в трудах конференций

1. Минина Ю.А. Влияние процесса окисления на явление самообращения. Материалы Международного молодежного научного форума 'ЛОМОНОСОВ-2010'[Электронный ресурс] - М.: МАКС Пресс, 2010
2. Трухин В.И., Максимочкин В.И., Минина Ю.А. Однофазное окисление титаномагнетита и самообращение термоостаточной намагниченности Ломоносовские чтения, Сб. тезисов докладов, 2010. с. 172-175
3. Максимочкин В.И., Трухин В.И., Жиляева В.И., Хахалова Е.А.Самообращение термонамагниченности в шпинелидах кимберлитов Ломоносовские чтения, Сб. тезисов докладов, 2010. с. 165-168
4. Максимочкин В.И., Бахаева Л.В. Палеонапряженность геомагнитного поля рифтовой зоны Красного моря и юга САХ. Сб тезисов докладов Ломоносовские чтения секция физики 16-25 апреля 2010 г. М., физический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова, 2010. с.189-193.
5. Максимочкин В.И., Самойлович М.И., Юрасов Н.И. Магнитный рельеф на поверхности оптических фотонных кристаллов на основе опаловых матриц с магнитными включениями в нанополостях. XVI Международная научно-техническая конференция 'ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИИ' (Москва, ЦНИТИ 'ТЕХНОМАШ' 2010, 9-11 сентября) XXIII Международный симпозиум 'ТОНКИЕ ПЛЕНКИ В ЭЛЕКТРОНИКЕ' (Москва, ЦНИТИ 'ТЕХНОМАШ' 2010. 9-11 сентября) с.165-168
6. Пономарев А., Локнер Д., Строганова С., Станчиц С., Смирнов В. Синхронизация акустической эмиссии внешней меняющейся нагрузкой в лабораторном эксперименте // VIII Международная школа-семинар "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород", Санкт-Петербург, 24-29 мая 2010 г. Тезисы докладов. С.67-68.
7. Потанина М., Смирнов В., Бернар П. Исследования роевой активности в Коринфском рифте в 2000-2005 гг. // VIII Международная школа-семинар "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород", Санкт-Петербург, 24-29 мая 2010 г. Тезисы докладов. С. 68.
8. Смирнов В., Пономарев А., Бернар П., Патонин А. Лабораторное и натурное моделирование переходных режимов сейсмического процесса // VIII Международная школа-семинар "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород", Санкт-Петербург, 24-29 мая 2010 г. Тезисы докладов. С. 78.
9. Смирнов В., Пономарев А., Чадда Р.К., Шринагеш Д. Прогностические аномалии сейсмического режима в области наведенной сейсмичности Койна-Варна (Индия) // VIII Международная школа-семинар "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород", Санкт-Петербург, 24-29 мая 2010 г. Тезисы докладов. С. 79.
10. V. Smirnov, A. Ponomarev, R. Chadha, D. Srinagesh Prognostic anomalies of induced seismicity in Koyna-Warna region, Western India // European Seismological Commission, General Assembly, Sept. 6-10, Montpellier, France. Abstracts. P. 61.
11. Петрунин Г.И., Попов В.Г., Кузнецова Е.А. Особенности теплопередачи в вулканических и искусственных стеклах. Научная конф. 'Ломоносовские чтения', Секция физики. Апрель 2010, Сб. тезисов докладов. Москва, Физический факультет. С.184-189
12. Петрунин Г.И., Лупачик В.В. О термическом состоянии внутреннего ядра Земли. . Научная конф. 'Ломоносовские чтения', Секция физики. Апрель 2010, Сб. тезисов докладов. Москва, Физический факультет. С. 168-172