Отчет 89 с., 6 ч., 35 рис., 2 прил Отчет 89 с., 6 ч., 35 рис., 2 прил. Ключевые слова – сейсмология, землетрясение, сейсмическая томография, обратные задачи, геоэлектрика, УНЧ-излучение, магнитное пересоединение, магнитосферная суббуря. Работы, вошедшие в проект, продолжаются в течение длительного времени и выполняются в тесном международном сотрудничестве с партнерами из многих стран (список международных соглашений дан в Приложении). Такое долговременное сотрудничество и возобновление договоров (так же как и заключение новых) является дополнительным подтверждением значимости и успешного выполнения научных исследований. В соответствии с Техническим заданием и Календарным планом на 2007 год по проекту проводились следующие исследования: 1. Развитие томографических методов восстановления геофизических параметров (руководитель В.Н. Троян) (пункт Технического задания: разработка исследовательских вычислительных программ, позволяющих моделировать волновые поля в слоистых пористых средах и извлекать физические закономерности волновых процессов;) 2. Изучение сейсмоэлектромагнитных процессов, связанных с подготовкой сильных землетрясений в тектонически активных областях (руководитель Н.А. Смирнова) (пункт Технического задания: моделирование сейсмо-электромагнитных процессов) 3. Теоретическое и экспериментальное исследование магнитного пересоединения (руководитель В.С.Семенов) (пункт Технического задания: реализация алгоритма восстановления скорости пересоединения и пересоединившегося магнитного потока по данным о возмущениях магнитного поля на данных системы спутников CLUSTER.) Кроме того, продолжались работы по традиционным направлениям: 4. Исследование глубинного строения земной коры и верхней мантии по данным сети сейсмостанций (руководитель Т.Б. Яновская ) 5. Магнитотеллурические исследования (руководитель А.А. Ковтун); 6. Исследование динамики токового слоя магнитосферы (руководитель Сергеев В.А.) Объекты исследования проекта в целом это: внутреннее строение Земли, а именно: анизотропия верхней мантии, электропроводность коры и верхней мантии Фенноскандинавского щита, аномальная электропроводность литосферы на севере Ботнического залива; неоднородные среды с различными упругими свойствами, с горизонтальными и вертикальными градиентами скоростей распространения волн, а также с отражающими границами, на которых скорость терпит разрыв. Кроме того, исследовались естественные ультранизкочастотные (УНЧ) электромагнитные поля Земли и пространственно-временное распределение региональной сейсмичности, способные нести информацию о приближении катастрофических событий (мощных землетрясений); внешнее строение Земли – структура и эволюция токовых слоев в магнитосфере Земли, взрывная диссипация энергии в космических токовых слоях, параметры, обуславливающие динамическое состояние магнитосферы. Цель работы - Проект направлен на решение фундаментальных проблем геофизики, состоящих в исследовании свойств естественных электромагнитных полей и упругих колебаний Земли, изучении физической природы их источников, и развитие на этой основе методов исследования глубинного строения земной коры и верхней мантии, способов разведки полезных ископаемых, прогноза землетрясений и диагностики состояния околоземной плазмы. Методы, применяющиеся для разных задач проекта, очень разнообразны и более подробно описываются в соответствующих разделах проекта. Общими можно назвать методы компьютерного моделирования для решения прямых и обратных задач геофизики, двумерную томографию, контроль численных решений для модельных задач аналитическими методами. Результаты работы (за 4-ый этап) : 1. Выполнено обобщение метода расчета полей волн в слоистых упругих средах на случай упруго-пористых сред, описываемых уравнениями Френкеля-Био, в предположении отличной от нуля вязкости флюида. Учет вязкости жидкой фазы приводит к тому, что обычные волновые уравнения (гиперболического типа), определяющие законы распространения упругих волн, превращаются при наличии значительной вязкости в уравнения, описывающие "диффузию" волн. В вычислительном отношении это приводит к смещению особых точек подынтегральных функций (точек ветвления, полюсов ) в комплексную плоскость. 2. Основываясь на точном решении задачи о волновом поле источника, расположенного в заполненной жидкостью скважине, окруженной пористой средой, были построены диаграммы направленности продольных (быстрой и медленной) и поперечных волн, возбуждаемых в окружающей пористой среде. В разработанных алгоритмах и программах реализованы два механизма взаимодействия жидкости в скважине с пористым флюидом ( "закрытые " и "открытые " поры). 3. Созданный комплекс программ был применен для анализа данных сейсмического эксперимента с месторождения Маллик в Канаде. На основе сопоставления результатов численного моделирования с экспериментальными данными: - Доказана возможность проведения межскважинного просвечивания при помощи трубных волн в скважине и объемных волн, распространяющихся в пористом резервуаре. - Предложена методика использования возбуждаемых в модели трубных и объемных волн для обнаружения изменений в резервуаре в процессе добычи. - Предложена методика контроля координат источников и приемников в процессе проведения межскважинного просвечивания. Проведено моделирование сейсмо-электромагнитных процессов для поиска адекватных механизмов генерации УНЧ электромагнитных сигналов в зоне очага землетрясения. Исследованы механизмы генерации и частотно-временные характеристики сейсмо-электромагнитных эмиссий в моделях критической динамики метастабильных тектонических систем. Показано, что включение в развиваемую тектоническую СОК модель параметров электропроводности (например, непроводящие горные породы и проводящие флюиды, заполняющие поры и трещины в залегающих породах, или движение электрических зарядов, образующихся на концах трещин при естественном растрескивании горных пород), приводит к фрактальной динамике электропроводности. Это оправдывает применение нами фрактальных методов при анализе динамики электромагнитных полей Земли в сейсмоактивных регионах и служит свидетельством того, что самоорганизованные критические процессы (СОК процессы) в зонах разломов могут лежать в основе сейсмо-электромагнитных предвестников землетрясений. Выполнен фрактальный анализ временных рядов данных по регистрации УНЧ (ультранизкочастотных - f= 0.001-1 Гц) электромагнитных полей Земли в сейсмоактивном (остров Гуам, Тихий Океан, Φm =9° N, Λm =225°) и сейсмоспокойном (дрейфующая станция Северный Полюс-30, Fm =75o N, Lm =172o ) регионах на подготовительной фазе мощного землетрясения и большой магнитной бури. Выявлены определенные тенденции в динамике фрактальных характеристик, которые, в случае их подтверждения на независимом материале, могут быть использованы при разработке методов прогноза землетрясений и сильных геомагнитных бурь. Показано, что есть общие закономерности в динамике УНЧ- электромагнитных шумов на подготовительной фазе мощных природных событий – появление фрактальных (коррелированных) флуктуаций со спектром f – 1/b (фликер-шум) в определенном диапазоне частот. Это указывает на усиление пространственно-временных корреляций в критической системе при приближении катастрофических событий. Полученные результаты дают основание для нового направления поиска предвестников землетрясений, основанного на фрактальном анализе вариаций электромагнитных полей Земли. В 2007 году проведены детальные исследования импульсного пересоединения на дневной магнитопаузе, в результате которых были впервые получены значения величины скорости пересоединения. Были выбраны два интервала с интенсивной активностью. а) 21 января 2001 г., - 4 случая пересоединения (т.н. FTE события) наблюдались за каспом, восстановленная скорость пересоединения оказалась равной 3.7 +- 0.8 мв/м ; б) 14 февраля 2001г. - FTE события наблюдались на высокоширотной магнитопаузе перед каспом, восстановленная скорость пересоединения оказалась равной 2.1 +- 0.4 мв/м для магнитосферных событий и 0.9 +- 0.5 мв/м для FTE событий в переходной области. Во всех случаях длительность импульса пересоединения составляла 1-2 мин. Результаты были сопоставлены с оценками скорости пересоединения по радарным данным в ионосфере. Оказалось, что наши результаты в целом дает более высокие значения скорости пересоединения, что, по-видимому, связано с тем, что радарные измерения дают усредненные по времени значения этого параметра Построена модель флэппинга - осцилляций магнитного поля в хвосте магнитосферы, - основанная на неустойчивости двойного градиента: градиента тангенциальной компоненты поля в нормальном направлении и градиента нормальной компоненты вдоль слоя. Оказалось, что если произведение этих градиентов отрицательно, что случается в местах локального утоньшения токового слоя, то слой неустойчив и возмущения нарастают с характерным временем 5-10 минут. Если же произведение этих градиентов положительно, то слой устойчив, по его поверхности бегут волны от центра к флангам со скоростями порядка 50 км/с. Разработанная модель хорошо описывает известные экспериментальные факты флэппинга. Разработан метод совместного использования данных о групповых скоростях на трассах эпицентр-станция и о фазовых скоростях на трассах между станциями. Главным моментом в этой методике является определение скоростных разрезов, средних по межстанционным трассам, совместно по данным измерений фазовой скорости и расчетным дисперсионным кривым групповой скорости. Поскольку данных по межстанционным трассам недостаточно для определения латеральных вариаций скорости методом двумерной сейсмической томографии, предлагается использовать полученные средние скоростные разрезы для нахождения начального приближения при инверсии локальных дисперсионных кривых групповых скоростей, получаемых методом двумерной томографии. Разработанный метод применен для уточнения строения верхней мантии в регионе Азии. Данные о фазовых скоростях предоставлены нам институтом земной коры СО РАН. Получены уточненные скоростные разрезы верхней мантии в области, ограниченной 32-56°N, 80-120°E. Оказалось, что обнаруженная ранее 105-градусная граница между областью пониженных и повышенных скоростей проявляется только на глубинах 200-250км. Под Тибетом отсутствует астеносферный слой. Как и в предыдущем исследовании (Yanovskaya, Kozhevnikov, PEPI, 2003), выявилось поднятие к поверхности низкоскоростного вещества в области Байкальского рифта, что подтверждает гипотезу о наличии плюма. Низкие скорости в верхней мантии под Хангайским поднятием указывают на высокие температуры в этой области, что и приводит к поднятию поверхности. Модифицированным методом поверхностно-волновой томографии получены новые сведения о особенностях строения верхней мантии Земли в Альпийской зоне по данным фазовых скоростей поверхностных волн. Дисперсионные кривые фазовых скоростей волн Релея и Лява на трассах между станциями получены по разности фазовых спектров от удаленных землетрясений. Скоростные разрезы поперечных волн в верхней мантии до 275 км построены в области, включающей Альпы, Динариды и область Европейской плиты к северу от Альп. Показано, что под Альпами-Динаридами в верхней мантии отсутствует зона пониженной скорости, а на глубинах 100-200 км выявляется область повышенной скорости, совпадающая в плане с северной границей Альпийской зоны. Под Рейнским грабеном на глубинах 100-200 км, наоборот, выделяется зона пониженных скоростей. По характеру распределения скорости в верхней мантии под Альпами делается вывод о несостоятельности недавно предложенной гипотезы о погружении Адриатической плиты под Европу. Данное исследование проводилось в рамках гранта ИНТАС 04-83-381 в кооперации с учеными из Италии. Разработан новый численный метод оценки поля поверхностных волн в окрестности каустик, образующихся на больших эпицентральных расстояниях (>90°) за счет латеральной неоднородности и сферичности Земли. Метод имеет то преимущество, что он позволяет рассчитывать волновые поля и в области наложения нескольких каустик. В тех областях, где применим асимптотический метод для анализа поля, результаты, полученные численным методом, хорошо согласуются с результатами асимптотического анализа. Для модели реальной Земли численным методом рассчитаны аномалии амплитуд и фаз на полусфере противоположной эпицентру для периодов волн Релея 40-100 с. Полученные результаты показывают, что при интерпретации реальных волновых полей нельзя пренебрегать аномалиями, обусловленными близостью к каустикам. В плане завершения ранее выполненных исследований на Фенноскандинавском щите нами были дополнительно рассмотрены данные магнитотеллурических и магнитовариационных зондирований, полученные по международному проекту ВЕАR, с целью выявления влияния крупной аномалии в электропроводности коры, расположенной вблизи границы между Карельским и Свекофенским геоблоками и простирающейся в северо-западном направлении на сотни километров. Как выяснилось, ее влияние простирается на одну-две сотни километров от оси аномалии и приводит к фиктивному завышению продольной проводимости коры, получаемой при одномерной интерпретации фазовых магнитотеллурических кривых. Возникающая аномалия в магнитовариационных параметрах позволяет более точно оценить истинные параметры аномальной зоны. По результатам исследований подготовлена статья для журнала Вопросы Геофизики и будет сделан доклад на конференции Геокосмос 2008. В результате совместной работы компетентной международной группы проведена классификация среднемасштабных транзиентных структур разного типа наблюдающихся в хвосте магнитосферы в активные периоды и сделано заключение, что многообразие структур может быть в основном сведено к 2-3 группам, из которых наиболее важное значение имеет группа явлений создаваемая процессом импульсного локализованного (поперек хвоста) магнитного пересоединения, одним из проявлений которых являются быстрые струйные течения плазмы ориентированные в плоскости силовых линий вдоль хвоста магнитосферы. По материалам совместной работы подготовлен обзор теорий генерации и наблюдений среднемасштабных структур, выполнены исследования топологии магнитных канатов и сравнительный анализ разных методов количественной реконструкции среднемасштабных плазменных структур. Прогнозные предположения о развитии исследований: В настоящее время наблюдается сокращение прироста запасов углеводородов за счет увеличения темпов разработки действующих месторождений при одновременном возрастании объемов глобального потребления продуктов переработки углеводородного сырья. В связи с этим перед геофизическим сообществом стоят задачи разработки методов поиска месторождений углеводородов в регионах, обладающих сложной геологической структурой, а также задачи разработки более детальных методов мониторинга состояний уже действующих месторождений. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется более детальным и реалистичным математическим моделям геологических сред и методам оценки их параметров, что и является одной из задач данного проекта. Результаты исследования сейсмоэлектромагнитных процессов, связанных с подготовкой сильных землетрясений в тектонически активных областях, могут быть использованы для развития электромагнитных методов прогноза землетрясений. Полученные неожиданные результаты о структуре токовых слоев в хвосте магнитосферы заставляют обратить пристальное внимание и пересмотреть представления о характерных моделях токового слоя и носителях электрического тока в нем. Многие из известных плазменных структур имеют сходные масштабы (времена порядка минут, поперечные размеры ~1-3 Re в магнитосфере), но они, как правило, исследовались вне связи друг с другом, и по поводу происхождении многих из них существуют противоречивые точки зрения. Для дальнейшего развития исследований необходимо, с одной стороны, систематизировать классификацию и зафиксировать возможные предлагавшиеся механизмы подобных явлений и, с другой стороны, обсудить взаимосвязи этих явлений и развить возможные непротиворечивые модели, объединяющие максимальное число известных фактов и зависимостей в рамках небольшого количества из многих обсуждавшихся в литературе физических моделей. Результаты моделирования последствий магнитного пересоединения (включая численное моделирование, а также реконструкции процесса пересоединения и интерпретацию соответствующих наблюдательных данных) послужат основой для попытки единой интерпретации совокупности разрозненных наблюдений транзиентных структур на базе одного исходного физического процесса, процесса импульсного магнитного пересоединения. Ни в одной из известных нам по литературе работ по глобальному моделированию суббурь такая задача не ставилась. Публикации. В 2007 году в реферируемых журналах было опубликовано и приято к печати в 2007-2008 гг. 24 статьи по тематике Проекта. По итогам работы сделано 17 докладов на международных конференциях. Список публикаций и докладов приведен в Приложении 1. Международное сотрудничество. В 2007 году продолжались наблюдения с помощью широкополосной станции «Пулково», входящей в международную сейсмологическую сеть GEOFON, курируемую Центром Наук о Земле (Потсдам, ФРГ). Данные, получаемые на станции PUL, передавались партнеру (Центр Наук о Земле). В свою очередь, станция «Пулково» получает регулярную техническую поддержку от зарубежного партнера. В рамках сотрудничества с Университетом Гамбурга ( Институт Геофизики) были приглашены в Гамбург для совместной работы в проф. Каштан Б.М. и студент Аникиев Д.В. на три месяца и один месяц соответственно. В рамках проекта продолжилось сотрудничество с Университетом Уппсалы (Швеция) и Университетом Оулу (Финляндия). В отчетный период основное внимание было уделено подготовке совместных публикаций по результатам полевых работ, выполненных ранее. В Работы коллектива Санкт-Петербургского Университета по сейсмо-электромагнетике получили признание в России и за рубежом. Руководитель этого направления исследований Смирнова Н.А. получила приглашение сделать заказной доклад по фрактальному анализу УНЧ излучений на X Международном Семинаре "Низкочастотные волновые процессы в космической плазме" (Звенигород, Россия, 11-15 ноября 2007 года). Разрабатываемые в СПбГУ методы фрактального анализа УНЧ данных активно используются и развиваются японскими партнерами как в научных, так и в образовательных целях. Проводится совместный анализ УНЧ волновых полей японскими и российскими студентами и аспирантами. От зарубежных партнеров получены программы наиболее эффективного перевода экспериментальных данных сети японских станций с бинарного кода в формат ASCII, что позволило полнее ознакомиться с динамикой электромагнитных полей Земли в исследуемых регионах, ориентированных вдоль 210-го геомагнитного меридиана. Один из российских участников данного проекта, молодой специалист Андрей Мезенцев, кандидат ф.-м. наук, получил от японского партнера персональный Грант на продолжение совместных исследований по сейсмо-электромагнетике в Японии в Университете Электро-Коммуникаций с 10 октября 2007 года сроком на 1 год. Стоимость Гранта около 50 000 долларов США. Пребывание А. Мезенцева в данное время в Японии способствует более тесному сотрудничеству в рамках программы «Интергеофизика» Совместно с японскими, греческими и итальянскими партнерами представлено два доклада на X Международном Семинаре "Низкочастотные волновые процессы в космической плазме" Совместно с греческим профессором А.Тзанисом (Университет г. Афины) формируется новый курс лекций по теории самоорганизованной критичности. Продолжилось активное сотрудничество с Институтом космических Исследований (Австрия). Профессор В.С. Семенов посетил в ноябре университет г. Граца как соруководитель кандидатской диссертации С. Кихаса ; предполагаемая дата защиты январь 2008 г. в университете г. Граца, Австрия. Для работы над магистерским дипломом под руководством проф. В.С. Семенова в Институте Физики СПбГУ в октябре -декабре 2007 находился Стефан Посратчниг (Австрия). По гранту Финской Академии Наук Кубышкина М.В. в течение трех месяцев (февраль, март, август) находилась в Финском Метеорологическом Институте (ФМИ) для разработки и тестирования новых адаптивных моделей магнитного поля земной магнитосферы и участия в международном семинаре. Аспирант Апатенков С.В. продолжает работу в ФМИ по исследованию плазменных границ во внутренней магнитосфере. Зарубежные партнеры частично оплатили участие в международных конференциях 5 участникам проекта. Продолжается финансирование по 5 грантам CRDF (Троян В.Н., Каштан Б.М., Киселев Ю.В., Сергеев В.А.) и по грантам ИНТАС для аспирантов (Апатенков С.В., Золотова Н.В.). Образование. В течение 2007 года на кафедре физики Земли были защищены 3 кандидатские диссертации, близкие темам проекта (Быков К.В. «Комбинирование квазипродольных отраженных и рефрагированных сейсмических волн для оценивания анизотропных параметров геологической среды»; Зиатдинов С.Р. «Изучение свойств околоскважинного пространства и резервуара с использованием трубной волны», Иванова В.В. «Дистанционный метод восстановления параметров пересоединения по вариациям магнитного поля».) В июне 2007 успешно защитили бакалаврские диссертации 12 студентов кафедры. К защите в январе 2008 года подготовлено 8 магистерских диссертаций, во многом связанных с темами работ по Проекту. Наиболее активные студенты и аспиранты получали финансовую поддержку из средств Проекта. Результаты работ оперативно вносятся в специальные курсы, читаемые на кафедре студентам – магистрантам и аспирантам, предварительную обработку и получение данных проводят студенты во время практических занятий. Значимость работы. Все работы по Проекту являются фундаментальными исследованиями, направленными на углубление знаний о строении и закономерностях развития внутренних и внешних оболочек Земли. Все работы являются принципиально новыми в своих областях и затрагивают важнейшие вопросы, активно разрабатываемые ведущими научными коллективами. Многие результаты получены впервые и не имеют зарубежных аналогов. Определение скоростных параметров среды и положения сейсмических границ на больших глубинах в областях со сложным геологическим строением является актуальной задачей сейсмического метода при поиске и разведке месторождений углеводородов. В таких условиях метод вертикального сейсмического профилирования (ВСП) часто оказывается предпочтительнее схем наблюдения с поверхностным расположением приемных устройств. Кроме традиционно используемых при ВСП однократных волн, в настоящее время проводится ряд исследований по дополнительному использованию многократных волн. Такого рода исследования являются новыми. Комплексирование различных типов волн должно привести к повышению точности определения сейсмических параметров среды и положения сейсмических границ. Исследование импульсного пересоединения магнитных силовых линий является центральной задачей всей физики магнитосферы, именно оно в значительной степени определяет состояние космической погоды в околоземном пространстве. Прямое исследование пересоединения на магнитопаузе крайне затруднено, поскольку диффузионная область, инициирующая процесс, имеет очень малый размер, и вероятность ее пересечения космическим аппаратом близка к нулю. В связи с этим только дистанционные методы могут быть выходом из положения, именно они могут дать количественные характеристики процесса взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли. В результате выполнения проекта был развит новый метод, позволяющий по возмущениям магнитного поля находить скорость пересоединения и другие его характеристики, и, тем самым, количественно определять силу взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли. Экспериментальные исследования показали, что наиболее важными с точки зрения энергетики и глобальных переносов массы, энергии и магнитного потока оказываются явления среднего масштаба, порядка земного радиуса и временного масштаба порядка минут. Теоретически подобные явления очень трудно моделировать, поэтому значительную роль в их исследовании играют наблюдения. Однако, опубликованные спутниковые наблюдения, проведенные единичными спутниками, показали поразительное разнообразие типов наблюдавшихся среднемасштабных структур, для которых было предложены самые различные интерпретации. Дальнейшее развитие исследований требует обобщения этих разнородных данных, объединения родственных явлений (но наблюдавшихся в разных плазменных оболочках) в группы, построения сводной классификации наблюдаемых структур, и анализа этих групп с точки зрения их вероятных процессов генерации. Подобная задача была поставлена в 2006-2007гг перед международной рабочей группой из 20 участников поддержанной Международным Институтом Космических Исследований (ISSI) в Берне. В результате ее работы был подготовлен большой обзор (124 стр.рукописи со списком 250 цитированных работ) о среднемасштабных структурах, принятый в 2007г к опубликованию в журнале Annales Geophysicae (Sharma et al.,2008).