Геофизический институт - филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального научного центра
"Владикавказский научный центр Российской академии наук" (ГФИ ВНЦ РАН)

Фундаментальные исследования

Создание систем комплексных геофизических наблюдений в регионе.

  • Институтом в 1999 г. была организована сеть сейсмических наблюдений. Сеть включала станции Владикавказ, Чикола, Заманкул, Цей, Фиагдон, Ардон, Дзинага. Указанной сетью записан процесс схода ледника Колка 20 сентября 2002 г. В сентябре 2003 г. была добавлена новая станция «Кармадон». В сентябре 2003 г. Республиканская сейсмическая локальная сеть в соответствие с Договором между ООО «Геон», СКГМИ (ГТУ) и ЦГИ ВНЦ РАН и РСО-А была преобразована в «Кармадонский параметрический полигон» для инструментальных наблюдений за опасными природными и техногенными процессами, принципиально отличающаяся от стандартной сети сейсмических наблюдений. В 2006 г. на станциях были установлены цифровые регистраторы нового поколения.
  • Впервые на Северном Кавказе в 2004 году на урбанизированной территории (Владикавказ) создана постоянная сеть инженерно-сейсмологических наблюдений с современными станциями на участках с различными грунтовыми условиями.
  • В 2009 г. совместно со специалистами Института физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН организована сеть GPS-измерений из 4-х пунктов и проведены измерения, с целью изучения современного движения Владикавказского разлома. В настоящее время впервые создана прогнозная система GPS/ГЛОНАСС наблюдений в районе мощного Владикавказского разлома с магнитудой М=6,5−7,1. Для повышения достоверности и точности разработана система дополнительного ряда пунктов и сети сгущения на первых 5−7 км в обе стороны от разлома.
  • В 2009 г. совместно с МГУ и ЦНИИГАиК на территории ГФИ заложен пункт высокоточных гравиметрических измерений и выполнены первые измерения «абсолютным» гравиметром.
  • В 2012 г. выполнена модернизация и расширение сети сейсмологических наблюдений Кармадонского параметрического полигона» и урбанизированной сети сейсмических наблюдений «Владикавказский полигон». В районе ложе ледника Колка на высоте 2 970 метров над уровнем моря выполнен монтаж и запуск сейсмической станции «Колка». Станция работает в режиме непрерывной записи, синхронизация времени осуществляется каждые сутки по GPS. Получены записи сейсмических событий различной природы в районе ледника.
  • Создана экспериментальная установка для передачи телеметрической беспроводной информации от сейсмической станции к центру сбора информации - Института. Разработан алгоритм и соответствующее программное обеспечение, что позволяет осуществлять опрос регистратора «Дельта-Геон» по инициативе центра сбора данных с заданным интервалом или по запросу. В телеметрическом комплексе был разработан и создан блок автономного питания на основе солнечного модуля каркасного типа (МСК) мощностью 40 Вт с комплектацией аккумулятора емкостью 40 А•ч. На основе проведенных испытаний были разработаны методические рекомендации по созданию и эксплуатации энергетических систем питания сейсмической аппаратуры.
  • На основе новых теоретических представлений путем использования генератора СВЧ в содружестве с СКГМИ (ГТУ) разработан оригинальный сейсмоприемник колебаний среды с улучшенными характеристиками и высокой стабильностью. Построен действующий образец сейсмоприемника. Разработанные конструкции сейсмодатчиков позволяют регистрировать колебания торцевой стенки резонатора с амплитудой до 0,1 мкм.

Исследование и оценка сейсмической опасности и сейсмического риска урбанизированных территорий.

  • Разработан комплексный метод оценки сейсмической опасности территории на основе учета особенностей рельефа, типов и нелинейных свойств грунтов при изменяющемся уровне сейсмического воздействия. Впервые в России построены вероятностные карты (1, 2, 5, 10%) сейсмической опасности территории РСО-А с помощью американского пакета компьютерных программ SEISRisk-III в технологиях ГИС. Введен параметр «коэффициент качества (рейтинг) грунтовых условий». Впервые в России использован подход, основанный на учете физических механизмов очага, и американская авторская компьютерная программа Finsim, позволивший рассчитать сейсмические воздействия в виде синтетических акселерограмм от мощного Владикавказского разлома, которые сопоставлялись с записями цифровых станций. Введено понятие «средневзвешенный период колебаний», использование которого позволило значительно уменьшить разброс при корреляционных соотношениях. Получены новые эмпирические формулы, не имеющие аналогов в мире, которые позволяют оценивать на основе учета физической нелинейности и неупругости грунтов изменение расчетной интенсивности. Введено новое понятие «коэффициент рельефности» и предложена новая эмпирическая формула, не имеющая аналогов в мире, для непосредственного учета влияния рельефа на формирование интенсивности землетрясения.
  • На основе анализа данных инструментальных и численных исследований установлены основные факторы, формирующие уровень интенсивности землетрясений в горных районах. Проведен анализ существующих показателей инструментальной интенсивности: Ариаса, Анга, Хаузнера, Заалишвили. Установлены энергетические показатели сейсмического воздействия и «повреждаемости» физических систем по базам данных сильных движений. Установлены корреляционные связи между параметрами грунтового движения – показателями потенциала «повреждаемости» объекта и их связь с уровнем проявленной интенсивности.
  • Исследовалось снижение сейсмического риска застройки при проектировании цокольных этажей на основе использования эффективной схемы сейсмоизоляции в условиях Северного Кавказа. Впервые разработана схема сейсмоизоляции зданий и сооружений на кинематических опорах с упругой горизонтальной связью.

Исследование напряженно-деформированного состояния горного массива при техногенном вмешательстве;

  • Выполнено обобщение техногенных пустот, образованных в зоне комбинированного природно-техногенного воздействия эксплуатации Садонских месторождений. Получены количественные характеристики активности их эксплуатации, установлены закономерности процессов образования техногенной нарушенности недр. Обобщены сведения о технологии эксплуатации месторождений и выполнена оценка вероятности катастрофической реакции массивов на техногенное вмешательство в условиях сейсмической опасности. Установлено, что для адекватной оценки напряженно-деформированного состояния и устойчивости горного массива необходим учет всех воздействующих природных и техногенных факторов. Созданы научные основы комплексирования силовых полей в массивах по приоритетному признаку снижения потерь и разубоживания руд при разработке скальных массивов сложной структуры. Для учета сейсмических воздействий в массиве (рудниках и т.д.) введен специальный сейсмический коэффициент.

Разработка геолого-геофизических аспектов устойчивого развития горных территорий;

  • Создана модель глубинного строения земной коры в районе Северной Осетии и прилегающей территории. Даны рекомендации по проведению мониторинга опасных геологических процессов в зоне Ардонского межглыбового разлома. Проведен анализ имеющихся данных о геологическом строении горной Осетии с целью изучения глубинного строения, поисков нефтяных месторождений и других задач. Составлены электронные версии карты аномалий силы тяжести для Северного Кавказа и Северной Осетии, карты магнитных аномалий. Сформулированы задачи взаимосвязи глубинного строения горной Осетии с сейсмичностью территории.
  • Произведен анализ результатов геофизических исследований различных характеристик вулканических центров Северного Кавказа, в частности, на Центральном Кавказе в виде площадных гравиметрических и аэромагнитных съёмок масштабов 1:200000-1:50000, а также глубинных исследований по региональным профилям методами обменных волн землетрясений (МОВЗ) и магнитотеллурических зондирований (МТЗ); в результате исследований показано, что вулкан Эльбрус характеризуется магматическим очагом и магматической камерой, в то же время для горы Казбек по изученным данным не находится признаков вулкана; Казбек следует рассматривать, в отличие от Эльбруса, в крайнем случае, как потухший вулкан.
  • В целях промышленного использования тепловой энергии вулканического центра Казбек начаты исследования геотермальных полей в районе ледников Колка (Россия) и Девдорак (Грузия); разработана методика активного контроля опасных геотермальных аномалий на леднике Колка с помощью современных специальных систем; анализ опыта подобных геотермальных исследований на Дальнем Востоке и за рубежом позволил сформулировать особенности планирования и проведения подобных исследований;
  • На основе изучения и анализа данных сильнейших землетрясений мира сформирована база данных сильных движений (число событий до 50000) в диалоговом режиме, на основе которой разработан новый инструментально-расчетный метод сейсмического микрорайонирования. Метод позволяет в зависимости от конкретных инженерно-сейсмологических и грунтовых условий на основе использования базы данных сильных движений формировать ожидаемые инструментальные записи сейсмических воздействий. Новый метод позволяет получать физически более обоснованные результаты.
  • Разработан приближенный аналитический метод решения нелинейных начально-краевых задач сейсмических колебаний толщи грунта в виде упруго-вязкой сплошной среды с нелинейными свойствами. В расчетах учитывалось влияние распределенной массы, имитирующей городскую застройку и сейсмическое воздействие на некоторой глубине в виде импульсной функции. Составлена физико-математическая модель совместных сейсмических колебаний высоконапорной плотины и воды в водохранилище, представляющая пространственную контактную краевую задачу для систем дифференциальных уравнений колебательных движений плотины и воды в водохранилище. Получены расчетные формулы для вычисления частот основных форм собственных колебаний системы. В полученных формулах в качестве входных параметров содержатся габаритные размеры плотины и водохранилища, а также физико-механические характеристики конструктивных элементов плотины и материалов подфундаментных слоев грунта.
  • Разработана 25-клеточная бинарная седиментологическая система минералов. Подобная классификация в геологии разработана впервые. Она является основой решения широкого круга геологических вопросов на основе применения количественных терригенно-минералогических показателей, также разработанных в Центре. Впервые решена обратная геологическая задача терригенной минералогии через последовательное применение двух однофакторных моделей: 1) по количественному соотношению различных по химической устойчивости минералов, обладающих одинаковой или близкой гидроаэродинамической устойчивостью (например, по соотношению содержаний кварца и полевых шпатов, циркона и магнетита и т.п.) и 2) по количественному соотношению различных по гидроаэродинамической устойчивости минералов, обладающих одинаковой или близкой химической устойчивостью (например, по соотношению содержаний циркона и турмалина, магнетита и роговой обманки и т.п.). В качестве основного количественного показателя гидроаэродинамической устойчивости минералов принята их плотность, а химической устойчивости условная суммарная величина их относительной сопротивляемости растворению, разложению и замещению, по А. Кайе и Ж. Трикару, с изменениями Центра.
  • Изучение изменения качества подземных вод на действующих водозаборах подземных вод. Выявлены и оконтурены ореалы загрязнения грунтовых вод за счет деятельности многочисленных промышленных предприятии, действующих в пределах Осетинской предгорной впадины. Определены очаги загрязнения подземных вод за счет проникновения в грунтовые воды промышленных отходов заводов ОАО «Электроцинк» и ОАО «Победит». Изучение и анализ особенностей эксплуатации Орджоникидзевского месторождения подземных вод, снабжающего питьевой водой столицу республики, выявлены нарушения режима эксплуатации месторождения, которое провоцирует изменения гидрогеологических условий месторождения в худшую сторону. Результаты изучения гидрогеологических условий входят в основу определения критериев сейсмического микрорайонирования населенных пунктов республики.

Исследование опасных эндогенных и экзогенных процессов и сопутствующих им опасных геологических процессов.

  • Выполнен сбор, обработка и анализ материалов по геологическому строению Казбекско-Джимарайского района и сопредельных территорий Центрального Кавказа (стратиграфия, литология, магматизм, тектоника, структурно-формационное районирование и др.). Проводились сбор, обработка и анализ историко-гляциологических материалов по циклическому автоколебательному развитию пульсирующего ледника Колка, специфике катастрофической пульсации 2002 г. и возможной роли сейсмотектоники в их подготовке и проявлении. Использование данных аэрокосмической съемки и современных компьютерных технологий позволило пересмотреть ряд традиционных положений и по-новому оценить механизмы целого ряда современных экзогенных процессов. Установлены важнейшие особенности подготовки катастрофического выброса ледово-каменного материала в пределах ледника Колка и перигляциальной зоны: интенсификация обвалов на ледник Колка, снижение уровня поверхностных вод (инфильтрационный эффект или эффект «пересохшей речки») и т.д. (всего 13 признаков). Это может стать эталонным предвестником газодинамического выброса ледника и должны служить основой системы мониторинга состояния ледника и приледниковой зоны, с целью исключения его внезапной активности.
  • Детально изучены уникальные записи схода ледника Колка полученные станциями Центра и сопредельной территории, а также переданные в 2006 г. из ГС РАН. Выполнен анализ параметров всех предшествующих катастрофе событий с помощью вейвлет-анализа и др. Разработана современная методика организации мониторинга опасных геологических явлений, в том числе, геодинамических особенностей ледника Колка и других экзогенных процессов. Изучены особенности движения ледника Колка на основе учета геоморфологических условий транзита по инструментальным данным. Уточнены основные этапы движения, определены 15 особых точек процесса схода и скорости движения. Установлено, что в процессе схода длина ледово-каменного потока изменялась от 5 до 3 км при высоте 150-200 м. Выполнена оценка сейсмической интенсивности удара ледово-каменной массы в районе Кармадонских ворот, составившая VI баллов по шкале MSK-64.
  • Разработана методика оценки экологического риска при добыче руд. Проведен анализ факторов техногенной деятельности в зоне добычи и переработки полезных ископаемых в условиях высокогорья. Проведены геохимические исследования зоны деятельности Садонских рудников, а также биопроб (сельскохозяйственная продукция) в зоне воздействия добычи руд. Проводится анализ состояния здоровья проживающего населения в зоне влияния горнодобывающей отрасли. Ведется мониторинг состояния техногенных месторождений террасных и пойменных участков горных речных долин рек Фиагдон и Ардон. Изучено загрязнение территории г. Владикавказа тяжёлыми металлами. Изучена заболеваемость новообразованиями населения г. Владикавказа за последние 5 лет. Проведён анализ полученных результатов с учётом розы ветров. Составлена карта загрязнениями и заболеваемости новообразованиями по методу поликлинического районирования.
  • В районе схода ледника Колка 20 сентября 2002 года проведены исследования почвенно-растительного покрова. В посткатастрофический период наблюдается восстановление почвенно-растительного покрова в зоне транзита высокоскоростного лавинообразного потока и гляциального селя. Парадоксальность ситуации состоит в том, что наблюдаемые процессы, в норме характерные для области высокогорий, протекают в среднегорье. Проведен комплекс работ мониторинга трансформации биоты Зарамагской семиаридной котловины Южной юрской депрессии под влиянием водохранилища и других объектов Зарамагской ГЭС. Результаты исследования позволят разработать эталонное состояние растительной среды для установления особенностей влияния геологических процессов на окружающую среду. Изучение последствий гляциальных катастроф в долине р. Геналдон и прогнозирование этих катастроф базируются, как правило, на абиотических индикаторах. Между тем, для этих целей можно использовать целый ряд биологических индикаторов (в особенности,  фитоиндикаторов). В контексте геоэкологического мониторинга долины р. Геналдон проведен поиск фитоиндикаторов, маркирующих в ландшафте последствия схода ледника Колка 20.09.2002 г. и предшествующих гляциальных  катастроф. В результате установлена возможность эффективного использования некоторых растительных сообществ, достаточно четко идентифицируемых в ландшафтах, для фитоиндикации последствий гляциального события 20.09.2002 г. и долгосрочного прогнозирования гляциальных  катастроф в долине Геналдона.
  • Высокогорные территории, приуроченные к глубинным тектоническим разломам, характеризуются значительным повышением уровня радиационного воздействия, обусловленным влиянием разрывной тектоникой и содержанием в горных породах радиоактивных элементов. Территория зон активных сейсмогенерирующих разломов характеризуется высокой интенсивностью эндогенных геологических  процессов. В пределах зон глубинных тектонических разломов возрастает уровень фенотипической изменчивости растений-индикаторов.

 

Важнейшие разработки ГФИ ВНЦ РАН за 2014 год.

  • Разработаны способы фитоиндикации зоны поражения горной долины лавинообразным потоком (Пат. № 2519807 20.06.2014, Пат. № 2518447 10.06.2014) Зона поражения определяется по нижней границе коренных березняков, произрастающих над пораженным склоном (рис. а). Оценка даты поражения устанавливается путем измерения количества годичных колец наиболее крупных деревьев в новообразованных древостоях, возобновляющихся в зоне поражения ниже коренных березняков.

Отсутствие древесно-кустарниковой растительности на дне долины (а позднее – появление там молодых древостоев), при наличии коренных старовозрастных древостоев на вышележащих склонах, является индикатором, указывающим на прохождение в прошлом катастрофического селя (рис. б). Способ также позволяет (по массовым повреждениям коры и древесины деревьев) измерить ширину зоны поражения долины и высоту поражения ее бортов (рис. в). Возможна оценка даты прохождения последнего катастрофического селя путем подсчета количества годичных колец на двух радиусах, проходящим через неповрежденный и поврежденный участки стволов деревьев.

Разработка может найти применение при мониторинге участков для строительства, при формировании агроэкосистем, в рекреации.

  • На основе анализа достоверности многочисленных фактических данных, проверки и отбраковки имеющихся необоснованных и ошибочных артефактов в данной области сформирована база данных по леднику Колка и связанных с ним природных опасностей, проявившихся в ходе подготовки, формирования и движения катастрофического каменно-ледового потока 2002 г. Проведена детальная расшифровка и идентификация инструментальных записей статических, кинематических и динамических особенностей процессов с уточнением характера схода ледника на основе идентификации волновых пакетов сейсмограмм, ландшафтных особенностей зоны движения ледника и продуктов его разрушения и зафиксированных следов этого движения. Дана оценка проявления природного эффекта сейсмического декаплинга в ходе подготовки, запуска и протекания схода ледника Колка.
  • Разработаны модели взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов в гляциальной зоне при определяющей роли эндогенных процессов. Показана ведущая роль газодинамических процессов поствулканического генезиса.

Разработана система мониторинга и прогнозирования опасных природных процессов, связанных с ледником Колка и его системой, разработаны превентивные меры по смягчению негативных последствий этих процессов.

Получены сейсмические записи обвала массива горных пород и льда в районе Девдоракского ледника 17 мая 2014 года, выполнена их предварительная обработка и интерпретация.

  • Исследованы природные и техногенные загрязнители в различных ландшафтных условиях, геологических обстановках и техногенных процессах. Созданы базы данных онкозаболеваемости населения всех населенных пунктов Пригородного и Алагирского районов РСО-А. Выполнен многовариантный статистический анализ заболеваемости населения с целью изучения влияния техногенных, метеорологических, и гидрологических факторов на распространение загрязнений и увеличение заболеваемости. В процессе изучения динамики заболеваемости был установлен резкий рост онкозаболеваемости в г.Алагир., а также сел Октябрьское и Камбилеевское Пригородного района Северной Осетии.

 

Важнейшие результаты ГФИ ВНЦ РАН за 2015 год

Результат 1

Данные, полученные геофизическими методами (ГСЗ, МОВЗ, МСЗ и гравимагниторазведки) по ряду пересечений структуры Большого Кавказа (Степное–Бакуриани, Волгоград–Нахичевань через Центральную часть Кавказа и Адыгейский – через Западную часть), позволяют утверждать, что имеет место пологий надвиг Скифской эпигерцинской плиты на микроплиты Южного Кавказа, в отличие от существующих представлений о поддвиге южных микроплит под Скифскую плиту.

Результат 2

На основе установления эндогенной газодинамической природы Колкинской (Кармадонской) катастрофы 2002 года и неоднократно происходивших на Земле принципиально аналогичных гигантских по масштабам пароксизмальных ледниковых катастроф, выявления их сущности, механизма протекания и причин, заложены фактологическая (эмпирическая) и теоретическая основы газогляциодинамики – новой области исследований ледников, а также включающих их сложных полиэлементных и гетерофазных литосферных геодинамических систем и связанных с ними эндогенных опасных природных процессов катастрофического уровня.

Результат 3

В результате анализа многолетних рядов наблюдений за естественным импульсным электромагнитным полем Земли (ЕИЭМПЗ) по сети из 10 регистраторов, расположенных от Черного до Каспийского моря в пределах сейсмоопасных районов Северо-Кавказского региона, выделены характерные образы региональных аномалий, предваряющих сейсмические события с магнитудой более 4 с заблаговременностью проявления от 0,5 до 15 суток. Сделана попытка проанализировать взаимосвязь аномалий ЕИЭМПЗ с активизацией сейсмичности наиболее «горячих» сейсмических областей Центрального и Восточного Кавказа.

 

Важнейшие результаты ГФИ ВНЦ РАН за 2016 год

Результат 1

На скоростной модели разреза профиля через известные месторождения, расположенные в Садоно-Унальском рудном поле, выделяются два локальных объекта, резко отличающиеся от вмещающей среды. Низкоскоростные объекты протяженностью 10-12км и вертикальным размахом до глубины 17-18 км, представляют зону Ардонского глубинного разлома, впервые подтвержденного инструментальными наблюдениями ММЗ

Результат 2

Создана система инструментального мониторинга вулканических проявлений в районе Казбекского вулканического центра, включающая 4 сейсмические станции Геофизического института – филиала ВНЦ РАН на Кармадонском параметрическом полигоне и 2 станции сейсмологической службы Грузии. Обмен инструментальными данными позволит выявить целый ряд важных характеристик вулкана Казбек и значительно повысит безопасность жизнедеятельности за счет адекватной оценки риска и прогноза опасных геологических процессов