Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование тепловых и наведенных волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Исследование тепловых и наведенных волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра"

На правах рукописи

А*

Лиходеев Дмитрий Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ И НАВЕДЕННЫХ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В РАЙОНЕ ЭЛЬБРУССКОГО ВУЛКАНИЧЕСКОГО ЦЕНТРА

Специальность 25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 8 АПР 2013

Москва, 2013

005051948

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук

Научный Доктор физико-математических наук

Руководитель: Собисевич Алексей Леонидович

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук, зав.лаб., Лаборатория прикладной геофизики и вулканологии (703)

Официальные Член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, оппоненты: профессор Николаев Алексей Всеволодович

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук, зав.лаб., Лаборатория экспериментальной геофизики (310)

Доктор физико-математических наук Милюков Вадим Константинович

Государственное научное учреждение Государственный астрономический институт имени П.К. Штернберга Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, зав.лаб. Лаборатория лазерных интерферометрических измерений

Ведущая Федеральное государственное унитарное предприятие

организация: «Всероссийский научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии»

Защита состоится £ 3» ОЬ - в на заседании диссертационного совета

Д 002.001.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН) по адресу: 123995, ГСП-5, Москва Д-242, Б.Грузинская ул., 10, стр. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н. —— 0 г Онищенко

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа «Исследование тепловых и наведенных волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра»

посвящена решению задач, связанных с совершенствованием методов изучения внутреннего строения, динамических и тепловых особенностей неоднородной геологической среды в районе вулканической постройки. Решение затронутого класса задач проведено с использованием современных математических и экспериментальных геофизических методов, сопоставления данных теоретического анализа с результатами геолого-геофизического и теплового мониторинга.

Актуальность темы

Одним из важных источников знаний о внутреннем строении Земли служат данные, получаемые на основе анализа структуры волновых процессов (движений), наведенных в различных геосферах (Аки К. и др., 1983; Андерсон, Дзевонский, 1984; Николаев, 1972). Наметившийся комплексный подход к развитию существующих и созданию новых методов изучения волновых полей не случаен. Именно они служат индикаторами сложных динамических процессов в районе Эльбрусского вулканического центра, отражая происходящие структурные изменения в геофизической среде вулканической постройки и на прилегающих территориях (Николаев, 1997; Лаверов и др., 2005).

В числе физических полей, используемых в задачах геофизического мониторинга геологической среды, наиболее информативными принято считать тепловые и наведенные сейсмические поля. Установлено, что основные свойства геологической среды отражаются в их тонкой структуре (Николаевский и др., 1970, 1984; Николаев, 1972; Алексеев и др., 1996, 2002; Собисевич, 2001; Лаверов и др., 2005). Изучение разномасштабных образований в теле вулканической постройки, в число которых входит магматический очаг и магматические камеры вулкана, проведено с привлечением методов, которые оправдали себя на практике (Динариев, Николаевский, 2001; Собисевич, 2001; Лаверов и др., 2005).

Отмечая актуальность поставленной в диссертации комплексной задачи, отметим, что на первый план здесь выступают вопросы получения и анализа экспериментальных наблюдений, связанных с исследованиями геолого-

3

геофизических особенностей Эльбрусского вулканического центра. В их числе и тепловые процессы в районе вулканической постройки Эльбруса. Полученные здесь новые научные результаты по тепловым полям являются актуальными в связи с поисками альтернативных источников энергии.

Цель работы

Основная цель диссертационной работы - изучение тепловых и наведенных волновых полей в районе Эльбрусского вулканического центра, оценка тепловых запасов в регионе и выдача рекомендаций по их практическому использованию.

Основные задачи исследований

В процессе выполнения диссертации необходимо было провести комплексные полевые наблюдения в районе вулканической постройки Эльбруса, изучить ряд задач и на их основе выполнить:

- анализ теоретических методов, обеспечивающих изучение геофизических свойств магматических структур вулкана Эльбрус;

- уточнение формы и положения магматических камер и магматического очага вулкана Эльбрус;

- создание новых и освоение существующих аппаратурных систем и технологий, предназначенных для мониторинга тепловых процессов в районе вулканической постройки Эльбруса;

- изучение данных аппаратурного мониторинга вулканических образований (магматических камер и очага) с целью уточнения их основных параметров;

- изучение флюидной активности в регионе;

- проведение экспериментальных работ по уточнению структуры тепловых аномалий в районе вулканической постройки;

- оценку тепловых запасов в районе Эльбрусского вулканического центра.

Научная новизна

В диссертации проведен анализ геодинамических особенностей района Кавказских Минеральных Вод и Приэльбрусья, выявлены места наибольшей тектонической и вулканической активности и показано, что они совпадают с ареалами наибольших концентраций гидротермальных проявлений.

В пределах Эльбрусского вулканического центра экспериментальными

4

методами уточнено положение магматического очага и магматической камеры.

Построены теоретические соотношения и приведены методы решения прямых и обратных задач, связанных с определением мощности источников тепла в теле вулканической постройки. Сформулированы общие теоретические схемы их решения.

Исследована структура тепловых полей в районе Эльбрусского вулканического центра и на прилегающих территориях методами дистанционного зондирования. Проведено изучение малоамплитудных тепловых аномалий на покрытой льдом поверхности вулканической постройки.

Проведены экспериментальные работы по изучению тепловых полей и волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра, включая исследование тепловых потоков в штольне под горой Андырчи и непосредственно на вулканической постройке.

В структуре Эльбрусского вулканического центра подтверждено наличие магматической камеры в районе вулканической постройки в интервале глубин 1-10 км ниже уровня моря и впервые определена температура верхней кромки камеры. Согласно уточненным данным ее приведенные размеры находится в пределах 8-9 км, а температура около 850 °С.

Проанализированы современные технологии извлечения тепловой энергии Земли и даны рекомендации по использованию тепловых запасов в районе Эльбрусского вулканического центра.

Практическая значимость работы

В диссертационной работе современные геолого-геофизические и физико-математические методы использованы и доработаны применительно к анализу неоднородной геологической среды в районе Эльбрусского вулканического центра.

Получены новые научные результаты, отражающие структуру тепловых полей в районе вулканической постройки Эльбруса; выявлены теоретически и подтверждены экспериментально тепловые запасы вмещающих пород в окрестности магматического очага и магматической камеры. Проведенными исследованиями заложены основы практического использования исследованных тепловых запасов в народном хозяйстве Республики Кабардино-Балкария.

Новые научные результаты использованы в ИФЗ РАН, ИГЕМ РАН, ИГ

5

РАН, Кубанском и Кабардино-Балкарском государственных университетах Минобразования и науки РФ, в других организациях и промышленных НИИ.

Исходный материал

В основу настоящей работы положены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные автором начиная с 2005 года при выполнении работ в рамках Программы Президиума РАН № 16 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы», при работе над инициативными проектами (грант РФФИ №№ 06-05-64048), в порядке выполнения плановых работ Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.

Автор диссертации принял участие в работе трех комплексных геолого-геофизических экспедиций РАН, которые проводились в сейсмоопасных регионах Европейской части России (Северный Кавказ, район Эльбрусского вулканического центра; Краснодарский край, районы распространения грязевого вулканизма). Данные полевых наблюдений обработаны и использованы в диссертации.

Основные защищаемые положения:

1. Теоретические и экспериментальные результаты, полученные при изучении тепловых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра, включая:

- новые данные по тепловым полям и наведенным волновым процессам в окрестности магматической камеры и магматического очага вулкана Эльбрус.

2. Модели и методы, описывающие тепловые и волновые процессы в геологической среде, трансформацию волновых полей на вулканических структурах, включая:

- методы решения прямой и обратной задач, связанные с определением мощности источников тепла в теле вулканической постройки;

- результаты экспериментального мониторинга наведенных волновых процессов в неоднородной геологической среде вулканической постройки.

3. Оценка запасов тепловой энергии в районе Эльбрусского вулканического центра, включая:

- создание новых аппаратурных систем и технологий, предназначенных для мониторинга тепловых процессов в районе вулканической постройки Эльбруса.

6

Личный вклад автора

Основные результаты, полученные лично автором, включают:

- данные изучения тепловых аномалий на поверхности вулканической постройки Эльбруса;

- экспериментальные данные, связанные с уточнением температурного режима и положения магматических структур в районе вулканической постройки: уточнение размеров магматического очага, простирающегося вдоль магмоконтролирующего разлома;

- применительно к району Эльбрусского вулканического центра проведен теоретический анализ прямых и обратных задач теплофизики и сформулированы общие теоретические схемы их решения;

- экспериментальные исследования температурных полей на поверхности вулканической постройки Эльбруса контактными методами;

- оценка запасов геотермальной энергии в районе Эльбрусского вулканического центра.

Достоверность результатов

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, определяется:

1. Корректностью и обоснованностью использованных экспериментальных технологий измерения тепловых полей в районе Эльбрусского вулканического центра.

2. Сопоставлением закономерностей, полученных в результате численного и натурного экспериментов, прямой и обратной связью модельных задач и теоретических построений с экспериментальными данными, полученными при проведении масштабных полевых геолого-геофизических работ в районе Эльбрусского вулканического центра и на вулканической постройке.

Апробация работы

Основные научные положения диссертации опубликованы в семи статьях, из них пять в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК. Материалы диссертации также вошли в два аннотированных отчета. Представление результатов и обсуждение основных положений диссертационной работы и её отдельных частей проходило в виде докладов на ряде семинаров и

7

конференций в ИФЗ РАН, на Всероссийской конференции «Природные процессы, геодинамика, сейсмотектоника и современный вулканизм Северного Кавказа» 20-30 марта 2008 г. Приэльбрусье, на Генеральной Ассамблее Европейского союза по наукам о Земле 22-27 апреля 2012 Австрия, на научной Конференции молодых ученых ИФЗ РАН 16 мая 2012 г., а также на Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в науке о Земле и горном деле», 13-21 сентября 2012 Абхазия, г. Новый Афон.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 183 наименований. Текст изложен на 151 странице, содержит 71 рисунок и 7 таблиц.

Благодарности

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. Собисевичу А.Л. и всем сотрудникам Лаборатории прикладной геофизики и вулканологии ИФЗ РАН за постоянное внимание и поддержку при проведении научных исследований по теме диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность затронутой темы, формулируется основная цель диссертационной работы, отмечена практическая значимость новых научных результатов, указаны объем и структура диссертации.

В первой главе «Геодинамические особенности района Кавказских Минеральных Вод и Приэльбрусья» выполнен ретроспективный анализ геодинамических особенностей региона, который является одним из наиболее сложных геофизических районов Северного Кавказа. Рассмотрены особенности глубинного строения земной коры в регионе (Милановский, Хаин, 1963; Балавадзе, 1971; Гаретовская и др., 1986). Работы наших выдающихся исследователей Эльбруса (Авдулов, 1963; Масуренков, 1961, 1971, 1979; Милановский 1968; Короновский 1968; Хитаров и др., 1985), проведенные в районе Эльбрусского вулканического центра, позволили наметить пути создания модели вулкана и определить круг задач, которые имеют прямое

отношение к активизации сейсмических и вулканических процессов в Эльбрусской вулканической области.

Характеризуя изучаемый район, необходимо подчеркнуть, что Приэльбрусье относится к району с высоким тепловым потоком Ставропольский свод и Минераловодский выступ - структуры с максимальным значением для Предкавказья плотности теплового потока (до 140-190 мВт/м2).

Изучение магматических структур в окрестности вулкана Эльбрус неразрывно связано с познанием процессов формирования структуры углекислых минеральных вод Северного Кавказа и Предкавказья. Эти вопросы имеют прямое отношение к активизации Эльбрусской вулканической области. Определяющую роль вулканических процессов в формировании углекислых минеральных вод отмечали такие крупнейшие исследователи этого региона как Ю.П. Масуренков, Б.Г. Поляк, В.Ю. Лаврушин, А.Н. Огильви, Л.Г. Герасимова, П.И. Лебедева, H.H. Славянова и многие другие выдающиеся геологи-рудники и вулканологи.

В главе рассмотрены и новые технологии глубинного мониторинга магматических образований по данным линиаментного анализа (Богатиков и

др., 2002).

При сопоставлении особенностей записи продольных волн от промышленных взрывов, наблюдаемых в районе Кавказских Минеральных Вод и Приэльбрусья, с волновой картиной профиля ГСЗ «Степное-Бакуриани» удается проследить сопоставимость основных зарегистрированных особенностей с характеристиками сейсмических волн в пределах Центрального Кавказа, что связано с наличием магматического очага, который, как всякое локальное резонансное образование, изменяет структуру волнового поля в своей ближней зоне. Что касается тонкой структуры внутреннего строения магматических образований вулкана Эльбрус, то эти исследования требуют дальнейшей детализации.

В южной части Эльбрусского вулканического центра выделена, отрицательная аномалия силы тяжести, окаймленная зонами интенсивных градиентов силы тяжести. Экстремальные значения аномалия приобретает в районе горной вершины Эльбруса, а полученные экспериментальные факты подтверждают выводы российских ученых о присутствии в регионе незастывшего магматического очага. Спектральные характеристики отклика геологической среды в окрестности вулканической постройки, возбуждаемые

слабыми местными сейсмическими событиями в районе Эльбруса, указывают, что это может быть связано с присутствием частичного расплава в верхней части земной коры.

Выявленные в процессе анализа литературных данных области наибольшей тектонической и вулканической активности совпадают с ареалами наибольших концентраций гидротермальных проявлений соответствующего возраста. Эта геофизическая особенность позволяет вести мониторинг пространственно-временной сопряженности тектонических явлений с магматическими и гидротермальными процессами, включая дальнейший переход к оценке структуры тепловых аномалий и определения потенциальных запасов тепловой энергии в районе Эльбрусского вулканического центра.

Вторая глава «Особенности строения вулканов центрального типа: магматические структуры, резонансные неоднородности, тепловые и наведенные волновые процессы в геологической среде вулканической постройки» посвящена анализу задач, связанных с изучением особенностей строения вулканов центрального типа: исследуются магматические структуры, наведенные волновые и тепловые процессы в геологической среде вулканической постройки. Приведены результаты геолого-геофизического анализа строения Эльбрусского вулканического центра. Обсуждаются особенности внутреннего строения вулкана Эльбрус.

Показано, что на современном этапе изучения геолого-геофизических процессов в районе «спящих» вулканов необходимо:

- геофизическими методами уточнить внутреннюю структуру вулканической постройки;

- аппаратурными методами оценить частотные характеристики разломно-блоковых структур;

- теоретически изучить резонансные особенности и характерные размеры отдельных структур вулкана (магматической камеры, магматического очага).

В главе анализируется методика решения задачи для слоистой геофизической среды, моделируемой полупространством с заглубленной магматической камерой в виде канонической полости.

Рис. 1. Сферическая полость радиуса а,моделирующая магматическую камеру, может быть расположена в подстилающем полупространстве г > 0 или в одном из слоев, не пересекая плоских границ, отражающих структуру геологической среды вулканической постройки.

Р("\

о

Полагая, что упругая среда, моделирующая вулканическую постройку, занимает в декартовой системе координат {х,у, г] область определенного объема (см. рис. 1) и что внешнее воздействие, изменяющееся по некоторому заданному закону Р(х,у,1:) приложено к поверхности полупространства и границе сферической полости - т(<р,(Ляпин... Собисевич и др., 1999).

Решение задачи проанализировано с использованием численных методов. На основе полученных решений задачи о возбуждении установившихся колебаний в слоистой геофизической среде, моделируемой полупространством с заглубленной магматической камерой, представляемой сферической полостью, проведено исследование степени ее влияния на резонансные свойства среды в окрестности магматической камеры.

Рис. 2. Величина со* - круговая резонансная частота сферической полости, расположенной в полупространстве. Добротность резонанса зависит от положения полости по отношению к границам раздела.

Показно, что амплитудная функция отраженных от полости волн имеет резонансный характер, добротность которого определяется положением полости по отношению к границам раздела упругих параметров слоистого полупространства и жесткостью слоев.

Теоретический анализ магматических образований в районе Эльбрусского вулканического центра и проведенный геофизический мониторинг в районе вулканической постройки позволили в первом приближении оценить их размеры и положение в пространстве.

В главе развиваются прямые и обратные задачи, связанные с определением пространственного распределения источников тепла в теле вулканической постройки и приводятся общие теоретические схемы их решения.

Показано, что в общем случае, когда свойства вмещающей среды вокруг

очага изменяются в пространстве, нужно решать неоднородное уравнение теплопроводности:

^ = Лу[в(г)УГ] + Ф(г), (1)

где а(г) - коэффициент температуропроводности, зависящий от координат; Ф(г) - пространственное распределение источников тепла.

В простейшем случае, когда коэффициент а(г) = а постоянен, уравнение принимает вид:

= аАТ+Ф(?). (2)

Граничное условие на плоскости характеризует теплообмен между поверхностью Земли и окружающей вулканическую постройку средой:

=к[та(х, у)-Тт,(х, у)], (3)

где к - относительный коэффициент теплоотдачи; Т„(х,у) - температура на поверхности Земли; Тт(х,у) - локальная температура воздуха над точкой (х,у). Если теплоотдачей в воздух можно пренебречь, условие (3) будет соответствовать равенству нулю производной от температуры по внешней нормали к поверхности Земли.

В ситуации, характерной для вулкана Эльбрус, приходится иметь дело с потоком тепла, который установился во времени. Поэтому, не ограничивая общности, можно пренебречь производной от температуры по времени. Показано, что распределение температуры на поверхности в районе вулканической постройки описывается при этом выражением вида:

тл*> у) - «р • • (4)

Обратная задача рассмотрена для частного случая, когда относительный коэффициент теплоотдачи к, коэффициент температуропроводности а и локальную температуру воздуха Тво1(х,у) можно считать постоянными, тогда:

Ж = 2 касрр[ | Т0 (х, у)йхйу - Гвш52 ] > (5)

где с - удельная теплоемкость, р - плотность.

В более сложных случаях необходимо измерять значения обоих коэффициентов (к и а), а также температуру воздуха, которая может

изменяться от точки к точке над поверхностью сложного рельефа вулканической постройки.

В пределах Эльбрусского вулканического центра экспериментальными методами уточнено положение магматического очага и магматической камеры. Показано, что результаты экспериментальных наблюдений волновых процессов в окрестности магматического очага и магматической камеры, развивающихся при активном внешнем воздействии, находятся в хорошем согласии с теоретическими данными. Построены теоретические соотношения и приведены методы решения прямых и обратных задач, связанных с определением пространственного распределения источников тепла в теле вулканической постройки. Сформулированы общие теоретические схемы их решения.

В третьей главе «Исследование структуры тепловых полей в районе Эльбрусского вулканического центра и на прилегающих территориях методами дистанционного зондирования» показано, что для характеристики процессов в районе вулканической постройки информативными параметрами могут быть: значения радиационной температуры (РТ), среднеквадратическое отклонение РТ, а также вариации теплофизических свойств (тепловая инерция) верхнего слоя земной поверхности.

Тепловое дистанционное зондирование (ТДЗ) - метод, основанный на бесконтактном определении плотности потока излучения поверхности в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн. Здесь наиболее информативной является дальняя область ИК-излучения в диапазоне 8-14 мкм, попадающая в окно прозрачности атмосферы на этих длинах волн. Приповерхностное тепловое поле - условное понятие, характеризующее термический режим Земной коры от поверхности до глубины нейтрального слоя (влияния инсоляции) и выраженное в значениях теплового потока, температуры, градиента температур или РТ.

Участок территории Эльбрусского вулканического центра, по которому проводился анализ данных, составлял площадь 39 х 39 кв. км (рис. 3.2а). Исследования по выявлению тепловых аномалий в районе Эльбрусского вулканического центра позволили провести комплексную интерпретацию полученных данных с учетом геологических (геологическая карта масштаба 1:200 000) и геофизических данных, полученных российскими учеными в районе Эльбрусского вулканического центра (Корниенко и др., 2004). В пределах вулканического конуса зафиксировано несколько тепловых аномалий

интенсивностью более 0,5°С, пространственно совпадающих с данными магнито-теллурического и сейсмического зондирования глубинных структур вулкана, которые подтверждают наличие приповерхностной магматической камеры (Лаверов и др., 2005).

Таким образом, в главе выполнено изучение тепловых аномалий на поверхности вулканической постройки в районе Эльбрусского вулканического центра и показано, что происхождение выявленных неоднородностей теплового поля для своего подтверждения и получения достоверной информации о структуре теплового поля нуждается в проведении дополнительных измерений с целью получения данных по абсолютным температурам.

Привлечение дополнительного картографического материала (цифровые

модели рельефа, почвенные карты и карты растительного покрова), а также

данные тепловой съемки различных сезонов года, позволили идентифицировать

ряд обнаруженных аномалий.

а б

Рис. 3. Схема расположения участков (а), область ледового и снежного покрова г. Эльбрус по данным космической съемки (б) и характер распределения тепловой инерции ландшафта по данным тепловой космической съемки (в).

Рис. 4. Карта тепловых аномалий, обнаруженных в районе Эльбруеского вулканического центра.

Тепловые аномалии, не получившие однозначной идентификации, связанные с ландшафтом, могут рассматриваться, в комплексе с другими материалами, как проявления вулканической активности на данном участке. К их числу могут быть отнесены положительные тепловые аномалии 1 и 1А, расположенные в центральной части Эльбруеского вулканического центра, которые при сопоставлении с данными геофизических инструментальных наблюдений подтверждают наличие приповерхностных магматических камер.

В целом, полученные в главе результаты свидетельствуют о работоспособности метода в части выявления в высокогорной местности малоамплитудных тепловых аномалий радиусом 5-10 км, в том числе, связанных, скорее всего, с приповерхностными (промежуточными) магматическими очагами и магматическими камерами.

Четвертая глава «Результаты экспериментальных наблюдений тепловых полей и волновых процессов в районе Эльбруеского вулканического центра» содержит результаты полевых наблюдений тепловых и наведенных волновых процессов. Приводится характеристика Северо-Кавказской геофизической обсерватории, которая включает три лаборатории. Две лаборатории располагаются около вулкана Эльбрус (в г. Андырчи) в специализированных

помещениях (оборудованных в боковых вырубках) штольни «Главная» и «Вспомогательная» Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН. Лаборатория № 1 оборудована в отдельной боковой вырубке штольни «Главная» на удалении от входа на 1500 м Лаборатория № 2 смонтирована на удалении 4100м от входа, в отдельной боковой вырубке штольни «Вспомогательная». Лаборатория № 3, которая является опорной, расположена в г. Нальчик.

В процессе регистрации и обработки поступающей геофизической информации основное внимание было сосредоточено:

- на изучении механизмов, ответственных за генерацию наведенных волновых процессов, возникающих при взаимодействии разломно-блоковых структур и других неоднородных образований в районе вулканической постройки и на прилегающих территориях;

- на анализе тепловых потоков в районе Эльбрусского вулканического центра.

Экспериментальный материал о характере геодинамических процессов в исследуемом регионе получен, по данным наклонометрических станций, в частотном диапазоне ниже 1,0 Гц. В качестве примера на рис. 5-8 приведены результаты, полученные при анализе землетрясения в районе острова Ява. Событие произошло 8 августа 2005 года в 17:04:56. Глубина очага - 300,0 км.

На полученных записях отчетливо выражены мощные первые вступления продольных (Р) и поперечных (8) волн. В их структуре отмечаются резонансные отклики магматических образований, имеющих место в районе Эльбрусского вулканического центра.

На рис. 5 представлены записи анализируемого сейсмического события, полученные наклонометрической станцией Лаборатории № 3 г. Нальчик. Здесь: (а) - запись самого сейсмического процесса по каналу Восток-Запад (ВЗ) и его спектрограмма (б).

Сопоставление с данными Лаборатории № 3 показывает, что здесь снизилась амплитуда первых вступлений продольных (Р) и поперечных (Б) волн и произошла частотная трансформация всего спектра наведенного волнового процесса.

Рис. 5. Наклонометрическая запись(а) и спектрограмма (б) землетрясения, которое произошло в районе острова Ява. (Лаборатория № 3, Нальчик, канал ВЗ).

а

Рис. 6. Наклонометрическая запись (а) землетрясения в районе острова Ява и его спектрограмма (б). (Лаборатория№ I, Баксан, 15 пикет, канал ВЗ).

Анализ полученных спектрограмм указывает на то, что в составе наведенного волнового процесса присутствуют высокоамплитудные как низкочастотные, так и среднечастотные составляющие. Их появление можно объяснить, если учесть, что насыщенные флюидом структуры в районе вулканической постройки и магматические структуры в районе Эльбрусского вулканического центра являются своеобразным геоакустическим фильтром.

Многолетние наклонометрические наблюдения удаленных сейсмических событий позволили выделить характерные особенности в структуре наведенных волновых процессов. Подтверждено наличие региональных локальных образований с характерными резонансными модами, часть из которых обусловлена низкочастотными модами магматических камер и магматического очага вулкана Эльбрус. Размер магматической камеры находится в пределах 8-9 км, и залегает она в интервале глубин 1-5 км ниже уровня моря практически непосредственно под вулканической постройкой. Магматический очаг имеет весьма внушительные размеры, которые доходят до 30-35 км. Эти мощные магматические образования поставляют потоки тепловой энергии во вмещающие породы.

На первом этапе наблюдения тепловых полей были выполнены на базе многоканальной тепловой станции Лаборатории № 2 (углубление 4100 м). Эти данные приведены на рис. 9.

Рис. 9. Значение максимальных температур в Лаборатории № 2. Измерения завершены 7 августа 2007г.

Анализируя температурное поле, следует отметить, что по мере удаления от входа в лабораторию, где еще ощущается слабое влияние вытяжной вентиляции, температуры внутри помещения и на стенках вырубки постепенно стабилизируются и затем практически не изменяются во времени.

Углубление лаборатории в сторону от штольни вспомогательная составляет 70 м, в ее конце наблюдается застойная зона, где циркуляция воздуха практически отсутствует. Установив два температурных Логгера на торцевую стену вверху и внизу с разносом 2.5 метра (рис 10), удалось получить результат, который представлен на рис. 11. Обращает на себя внимание высокий температурный градиент (160 °С/км), полученный в результате измерений.

Рис. 10. Расположение температурных датчиков в конце вырубки в месте расположения Лаборатории № 2.

Значительное внимание поверхности вулканической

ТСС) Температуры в конце вырубки

40.5

40 1Я1 Низ Верх

III и

39.6 III _Ш1 «.

...... г—' Л и

14:00:00 18.12.2007 10.01 2008 30.01.2008 19.02.2008 14:00:00 23.03.2000 дата

Рис. 11. Температуры в конце вырубки в месте расположения Лаборатории №2. Запись велась в течение 6-х месяцев.

было уделено исследованию температур на постройки Эльбруса. В процессе проведения

экспедиционных исследовании районах тепловых аномалий №№

на вулканической постройке Эльбруса в 1 и 1-А зафиксирована флюидная активность.

Рис. 12. Места установки автономных температурных датчиков (Логгеров) на поверхности вулканической постройки Эльбруса.

Экспедиция 2007 года.

В результате этого процесса активизировалась фумарольная деятельность, а на обнажившихся скальных выходах, сложенных лавами, были обнаружены новообразованные колонии лишайников. Восхождения на восточную и западную вершины вулкана Эльбрус и к озеру у подножья ледника Малый Азау позволили выявить места тепловых аномалий (см. рис. 12).

Восхождения на восточную и западную вершину показали, что в этом регионе на поверхности вулканической постройки развиваются аномальные тепловые процессы.

Рис. 13. Фумарола на высоте 5599 метров. Восточная вершина.

¡91 Ж*

Рис. 14. Схема фумаролы. 1 - плотный слежавшийся снег, 2 - трещиноватые породы, слагающие тело вулканической постройки в районе восточной вершины вулкана.

На восточной вершине была обнаружена фумарола рис. 13, ее схема показана на рис. 14. Температура поверхностного слоя породы на дне фумаролы 6°С.

Пример записи поверхностной температуры, зафиксированной на вулканической постройке Логгером № 1 (на высоте 3828 м, район хижины гляциологов) приведен на рис. 15.

гляциологов). Измерения проведены в период с 30 июля по 8 августа 2007 г.

Здесь обнаружена устойчивая температурная аномалия. Температуры в течение суток изменяются в пределах от 0,2 до 8,0-10,0°С, а в случае пасмурной погоды, когда в районе вулканической постройки сплошная облачность, температура остается положительной и днем и ночью, оставаясь в пределах 2,0°С. Эта область вулканической постройки Эльбруса вписывается в тепловую аномалию № 1 А, выделенную методами дистанционного зондирования.

Зафиксированные в процессе проведения эксперимента среднесуточные температуры в районах выделенных аномалий имеют положительный баланс, а в пасмурную погоду днем и ночью они колеблются в районе 0-2,0°С, что вполне укладывается в результаты, полученные методами дистанционного зондирования для этого участка поверхности. И только иногда резкие похолодания окружающего воздуха наряду с ураганными ветрами приводят к изменениям установившегося ритма температурного режима в этом месте вулканической постройки.

Развитие тепловых процессов на поверхности вулканической постройки Эльбруса привело к интенсивному таянию некоторых ледников. В результате в районе ледника Малый Азау появилось озеро. Было проведено специальное восхождение с целью измерения температуры в озере, расположенном несколько ниже языка ледника Малый Азау на высоте 3286 м. Координаты озера (высота 3276 м, 43°17' с.ш., 42°27' в.д.). В процессе измерений использовался комплект

оборудования «РЕЖИМ-АВТОМАТ-ТЕРМО-Ю-ЮО», который позволил организовать автоматизированные наблюдения (с накоплением данных на цифровых носителях) за температурами в глубине озера. Результаты этих измерений приведены на рис.16. Постановка такого эксперимента была вызвана необходимостью получения данных о температурах на различных глубинах и на дне.

Размеры озера на момент посещения составляли по большой оси 470 м, а по малой оси - 180 метров. Зимой озеро замерзает. Однако толщина льда не превышает 10-12 мм, при температурах окружающего воздуха, снижающихся в зимний период до величины -30 °С и более.

тепловой косы.

Заключительный этап измерений температурных полей в районе Эльбрусского вулканического центра проводился в 100 метровой скважине Верхне-Кубанского геодинамического полигона ВСЕГИНГЕО Министерства природных ресурсов России. Полигон расположен к западу от подножья вулкана Эльбрус. Для измерения температурных полей в районе полигона была выбрана 100-метровая скважина ВК-11 (см. рис. 17). Координаты скважины: с.ш.43° 33'44" в.д. 42°08'41". Абсолютная отметка устья: 1200 м. Глубина скважины: 119.8 м. (рис. 17).

Результаты проведенных режимных измерений приведены на рис. 18. Установлено, что температурный режим в скважине, которая удалена от выявленных магматических образований в районе Эльбрусского

магматического центра более чем на 40 км, находится в пределах нормы (30°С на километр).

Проведенные измерения еще раз подтверждают, что повышенные температуры и зафиксированные аномальные температурные градиенты удается наблюдать только в непосредственной близости от магматической камеры и магматического очага.

Рис. 17. Схема скважины ВК-11, в которой проводились измерения температур. Фотография надземной части скважины и схема подземной.

1 - Слой геологической среды, состоящий из валунов, галечника, дресвы, щебня, песка. Мощность слоя 24 метра.

2 - Слой геологической среды, состоящий из кристаллических трещиноватых сланцев.

геодинамического полигона ВСЕГИНГЕО.

Таким образом, на основании полученных наклонометрических данных, отражающих структуру наведенных волновых процессов от удаленных землетрясений в районе Эльбрусского вулканического центра, подтверждено наличие региональных локальных образований с характерными резонансными модами, часть из которых обусловлена низкочастотными модами магматических камер и магматического очага вулкана Эльбрус. В структуре Эльбрусского вулканического центра уточнено положение основной магматической камеры в районе вулканической постройки и магматического очага, простирающегося вдоль магмоконтролирующего разлома. Согласно новым данным проведенного анализа резонансных мод, приведенный размер магматической камеры находится в пределах 8-9 км, и залегает она в интервале глубин 1-10 км ниже уровня моря, практически непосредственно под вулканической постройкой. Магматический очаг по полученным данным имеет весьма внушительные размеры, которые доходят до 30-35 км. Эти мощные магматические образования поставляют потоки тепловой энергии во вмещающие породы, и этот нетрадиционный вид энергии необходимо использовать в Республике Кабардино-Балкария. Наблюдаемые экспериментально низкочастотные динамические процессы в магматических структурах вулкана связаны в первую очередь с ростом давления в магматической камере и, как следствие, с изменениями структуры наведенных сейсмических полей. Все это свидетельствует о поступлении новых порций горячих лав из глубинного магматического очага в близповерхностные магматические образования и об активной позиции вулкана Эльбрус на современном этапе развития. Насыщенные флюидом магматические образования, имеющие место в выделенной аппаратурными методами магматической камере и очаге, содержат и летучие (до 30% и более). Об этом свидетельствуют данные исследования флюидной активности в районе вулканической постройки. А это значит, что магма вулкана Эльбрус представляет собой своего рода «жидкостно-газовую» структуру с пониженной плотностью. По мере развития вулканических процессов содержащиеся в магме флюиды способны диффундировать через разломно-блоковые структуры, создавая фумаролы и формируя тепловые аномалии, как на поверхности вулканической постройки, так и в других районах Эльбрусского вулканического центра.

Разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию специализированная система геотермии. Аппаратурный комплекс обеспечивает измерения в жестких

условиях глубокой штольни при температуре более 40°С (районе горы Андырчи, Эльбрусский вулканический центр, Северо-Кавказская геофизическая обсерватория, лаборатория № 2). Оборудование системы геотермии допускает непрерывную регистрацию тепловых процессов в стационарных условиях и длительную — до 30 суток — в автономном режиме работы.

В пятой главе «О некоторых подходах к задаче использования запасов тепловой энергии Эльбрусского вулканического центра» на основе полученных в работе данных рассмотрены задачи практического использования запасов тепловой энергии Эльбрусского вулканического центра в народном хозяйстве Республики Кабардино-Балкария. Здесь выполнен анализ современных технологий извлечения и использования тепловой энергии Земли. Показано, что геотермальные ресурсы Северного Кавказа позволяют получить здесь 10-12 МВт тепла и около 400 МВт электроэнергии на бинарных электростанциях. Подготовлены к реализации проекты создания локальных систем тепло- и электроснабжения в Краснодарском (города Лабинск и Усть-Лабинск, станица Мостовская и др.) и Ставропольском краях (Казьминское месторождение). Однако на территории Республики Кабардино-Балкария проблема оценки термальных запасов энергии стоит пока весьма остро. Республика вынуждена закупать электрическую энергию в Ставропольском Крае.

При моделировании динамических и тепловых процессов в очаге по методикам, которые предложены ведущим вулканологом России, академиком С.А. Федотовым, использованы результаты анализа эволюции магматических структур в процессе их жизни после завершения активного этапа развития вулкана Эльбрус. Нагревание магматическими очагами вмещающих пород происходило здесь длительное время, в течение которого сами очаги могли существенно менять свои размеры. Чтобы отследить эти изменения, необходимо смоделировать динамику их роста и развития.

С использованием полученных данных, характеризующих параметры очага и процессы, происходящие в нем, включая: глубину залегания магматической камеры и очага; зависимость расхода магмы через магматические структуры от времени при прошлых извержениях; теплофизические параметры магмы и вмещающих пород; удельную теплоемкость, теплопроводность, плотность и скрытую теплоту плавления; температуру втекающей в очаг магмы, температуру стенок очага, температуру плавления вмещающих пород, температуру вмещающих пород; длительность существования магматических

24

образований.

Распределение температур вокруг магматического очага и камеры вулкана Эльбрус, которые моделировались объектами канонических форм, получено в результате аналитического решения обратной тепловой задачи в пространстве вулканической постройки и подстилающего полупространства. При этом учитывались данные, полученные в результате тепловых измерений на вулканической постройке и данные по тепловым градиентам в штольне и в Тырныаузкой опорной скважине. Оценки тепла, накопленного во вмещающих породах вулкана Эльбрус, проведены для сферы, диаметр которой выбран в соответствии с объемом магматической камеры, полученной в процессе мониторинга вулкана Эльбрус. Средняя температура поверхности сферы была выбрана равной 500°С.

Полученные расчетные данные, построенные с использованием экспериментальных наблюдений, проведенных в районе Эльбрусского вулканического центра, показывают, что запасы тепла во вмещающих породах магматической камеры вулкана Эльбрус составляют величину порядка 1,5x1020 Дж. Очевидно, что такие запасы достаточны для создания системы геотермального тепло- и электроснабжения в районе Эльбрусского вулканического центра (ГеоТС и ГеоЭС). При снижении температуры во вмещающих очаг горных породах до 200°С и длительности эксплуатации подземной циркуляционной системы в течение 100 лет блок нагретых пород объемом порядка 50 км3 может обеспечить получение 650 - 700 Гкал/ч тепла, что почти полностью удовлетворит потребности такого города, например, как г. Нальчик. В варианте сооружения геотермальной электростанции запасов тепла в объеме 60 - 70 км3 при названных выше условиях будет достаточно для получения около 250 МВт электроэнергии.

Геологическая характеристика геотермальных ресурсов Республики Кабардино-Балкария такова, что позволяет использовать тепло вмещающих пород в окрестности магматических систем Эльбрусского вулканического центра для организации локальных теплоэнергетических систем на основе современных технологий. А строительство серии бинарных электрических станций позволит не только создать здесь локальную систему тепло- и электроснабжения, но и эффективно и экологически чисто решить многие экономические, социальные и научно-технические проблемы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы решена крупная научная задача, связанная с изучением тепловых полей и наведенных волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра.

В процессе решения этой задачи получены следующие качественно новые научные результаты и выводы:

1. На основании полученных наклонометрических данных, отражающих структуру наведенных волновых процессов от удаленных землетрясений в районе Эльбрусского вулканического центра, подтверждено наличие региональных локальных образований с характерными модами, часть из которых обусловлена низкочастотными откликами магматических камер и магматического очага вулкана Эльбрус.

2. Экспериментальные исследования температурных полей на поверхности вулканической постройки Эльбруса дистанционными и контактными методами позволили выявить и оконтурить тепловые аномалии, изучить фумарольную активность в районе вулканической постройки Эльбруса. Фумарола в 2007 г. была обнаружена на высоте 5599 м в районе восточной вершины. Наблюдения, проведенные в этом районе, показали, что температура поверхностного слоя породы на дне фумаролы составляет 6°С; наблюдаются выходы флюидов (паров воды и других газов).

3. Построены теоретические соотношения и приведены методы решения прямых и обратных задачи, связанных с определением пространственного распределения источников тепла в теле вулканической постройки. Сформулированы общие теоретические схемы их решения.

4. Наблюдаемые экспериментально низкочастотные динамические процессы в магматических структурах вулкана связаны в первую очередь с ростом давления в магматической камере и, как следствие, с изменениями резонансных частот. Все это может свидетельствовать о поступлении новых порций горячих лав из глубинного магматического очага в близповерхностные магматические образования и об активной позиции вулкана Эльбрус на современном этапе развития.

5. Насыщенные флюидом магматические образования, имеющие место в выделенной аппаратурными методами магматической камере и очаге, содержат высокий процент летучих. Об этом свидетельствуют данные исследований флюидной активности в районе вулканической постройки. А это значит, что

магма вулкана Эльбрус представляет собой своего рода «жидкостно-газовую» структуру с плотностью порядка 2500-3000 кг/м3 относительно вмещающих пород. По мере развития вулканических процессов, содержащиеся в магме флюиды способны диффундировать через разломно-блоковые структуры, создавая фумаролы и формируя тепловые аномалии как на поверхности вулканической постройки, так и в других районах Эльбрусского вулканического центра.

6. Разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию система геотермии для работы в жестких условиях глубокой штольни при температуре более 40°С (Эльбрусский вулканический центр, Северо-Кавказская геофизическая обсерватория, Лаборатория № 2, углубление 4100 м). Оборудование системы геотермии, которая допускает регистрацию тепловых процессов в стационарных условиях, позволило выявить высокий температурный градиент в этом районе Эльбрусского вулканического центра.

7. Полученные расчетные данные, построенные с использованием экспериментальных температурных наблюдений в районе Эльбрусского вулканического центра, показывают, что запасы тепла во вмещающих породах магматической камеры вулкана Эльбрус составляют величину порядка 1,5x1020 Дж. Такие запасы тепла достаточны для создания крупной системы геотермального тепло- и электроснабжения в районе Эльбрусского вулканического центра (ГеоТС и ГеоЭС).

Публикации по теме диссертации

1. Голубев В.Г., Лиходеев Д.В. Система геотермического и климатического мониторинга Баксанской геофизической лаборатории // Сейсмические приборы. Вып. № 42. М. 2006. С. 29-36.

2. Лиходеев Д.В., Михаленко В.Н. Температура кровли магматической камеры вулкана Эльбрус // Геофизические исследования, 2012, том 13, № 4, с.70-75.

3. Масуренков Ю.П., Собисевич А.Л., Лиходеев Д.В., Шевченко A.B. Тепловые аномалии Северного Кавказа // ДАН (Геофизика). 2009. Т. 428. № 5. С. 667-670.

4. Масуренков Ю.П., Собисевич А.Л., Шевченко A.B., Дударов З.И., Бажева P.P., Лиходеев Д.В., Долов С.М. Анализ состояния флюидно-магматических систем Эльбрусского вулканического центра //

Известия кабардино-балкарского научного центра РАН, 2013, №1, с. 61-70.

5. Собисевич A.JL, Лиходеев Д.В. Особенности строения вулканов центрального типа. // Вестник Владикавказского научного центра. 2008. Т. 8. № 2. С. 34-46.

6. Собисевич А.Л., Лиходеев Д.В. Резонансные неоднородности, тепловые аномалии и наведенные волновые процессы в геологической среде вулканической постройки // Сб. тр. конф.: Проблемы мониторинга природных процессов на территории Северного Кавказа. М.: Региональная общественная организация учёных по проблемам прикладной геофизики (РООУ ППГ). 2007. С. 46-55.

7. Собисевич Л.Е., Лиходеев Д.В. Локальные тепловые и резонансные аномалии в разломно блоковых средах // Экологический вестник научных центров ЧЭС №3. 2007. С. 47-54.

8. Likhodeev D.V. The results of studies of temperature fields in the Elbrus volcanic center // European Geosciences Union General Assembly 2012, Vienna, Austria, 22 - 27 April 2012.

9. Nechaev Y.N., Sobissevitch A.L., Likhodeev D.V. Study of lateral and vertical variability of the lithosphere via analysis of satellite imagery data // Proceedings of the "GIS and Spatial Analysis. 2005 Annual Conference of the International Association for Mathematical Geology (IAMG)". Toronto, Canada August 21-26, 2005.

10. Sobissevitch A.L., Masurenkov Y.P., Likhodeev D.V., Pouzich I.N., and Laverova N.I. The modern hydrothermal system of the crust-mantle origin related to fluid-magmatic activity of volcanic centers in Northern Caucasus // European Geosciences Union General Assembly 2011, Vienna, Austria, 03 -08 April 2011.

Подписано в печать 29.03.2013 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1.8. Тираж 100 экз. Отпечатано в ИФЗ РАН 123995, Москва, ул. Б. Грузинская, д. 10, стр. 1.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Лиходеев, Дмитрий Владимирович, Москва

российская академия наук

ФГБУН ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О.Ю. Шмидта РАН

На правах рукописи

04201356602 УДК 372.31.15.25

Лиходеев Дмитрий Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ И НАВЕДЕННЫХ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В РАЙОНЕ ЭЛЬБРУССКОГО ВУЛКАНИЧЕСКОГО ЦЕНТРА

Специальность 25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель д.ф.-м.н. А.Л. Собисевич

Москва 2013

Оглавление

Введение.....................................................................................................4

Актуальность темы.........................................................................................4

Цель работы..................................................................................................5

Научная новизна............................................................................................5

Практическая значимость работы.......................................................................6

Основные защищаемые положения.....................................................................7

Личный вклад автора.................................................................................... 8

Апробация работы......................................................................................... 10

Структура и объем работы............................................................................... 10

Глава 1

Геодинамические особенности района Кавказских Минеральных Вод и Приэльбрусья..............................................................................................13

§1.1 Эльбрусский вулканический центр. Геологическая позиция. Внутреннее строение вулкана

Эльбрус...........................................................................................................13

1.1.1. Скоростные характеристики земной коры в районе Кавказских Минеральных Вод и в Приэльбрусья...........................................................................................14

§1.2. Грависейсмические особенности районов Кавказских Минеральных Вод и Приэльбрусья................................................................................................17

§1.3 Магматизм и углекислые минеральные воды Приэльбрусья................................21

§1.4. Новые технологии глубинного мониторинга магматических образований по данным линиаментного анализа.........................................................................27

Выводы по первой главе..................................................................................29

Глава 2

Особенности строения вулканов центрального типа: магматические структуры, резонансные неоднородности, тепловые и наведенные волновые процессы в геологической среде вулканической постройки.................................................31

§2.1 Особенности строения вулканов центрального типа..........................................31

§2.2 Формирование магматических структур, резонансные неоднородности.................34

§2.3. Результаты геолого-геофизического анализа строения Эльбрусского вулканического центра. Особенности внутреннего строения вулкана Эльбрус...............38

§2.4. Методика решения задачи для слоистой геофизической среды, моделируемой полупространством с заглубленной магматической камерой в виде канонической полости.......................................................................................................46

§2.5. Прямые и обратные задачи, связанные с определением пространственного распределения источников тепла в теле вулканической постройки и общие теоретические схемы их решения.......................................................................63

Выводы по второй главе..................................................................................70

Глава 3

Исследование структуры тепловых полей в районе Эльбрусского вулканического центра и на прилегающих территориях методами дистанционного зондирования... 71

§3.1. Краткая характеристика метода теплового дистанционного зондирования (ТДЗ).....71

§3.2. Изучение поверхностного теплового поля в районе Эльбрусского вулканического центра методами теплового дистанционного зондирования (ТДЗ)..............................73

§3.3. Интерпретация выявленных тепловых аномалий с учетом геологических и геофизических данных....................................................................................79

Выводы по третьей главе.................................................................................81

Глава 4

Результаты экспериментальных наблюдений тепловых полей и волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра...................................83

§4.1. Общая характеристика Северокавказской геофизической обсерватории...............83

§4.2. Исследование структуры волновых (сейсмических) процессов в районе Эльбрусского вулканического центра..................................................................88

§4.3. Исследование тепловых процессов в районе Лаборатории № 2, расположенной на углублении 4100 метров в конце штольни «Вспомогательная» БНО РАН.....................97

§4.4. Результаты исследования температурных полей на поверхности вулканической постройки Эльбруса и на прилегающих территориях..............................................102

§4.5. Исследование температур озера расположенного в районе ледника

Малый Азау...................................................................................................113

§4.6. Определение температуры кровли магматической камеры по результатам измерения температур в толще льда....................................................................118

§4.7. Результаты измерений температурных полей в 100 метровой скважине ВерхнеКубанского геодинамического полигона ВСЕГИНГЕО (район Эльбрусского вулканического центра)...................................................................................121

Выводы по четвертой главе..............................................................................123

Глава 5

О некоторых подходах к задаче использования запасов тепловой энергии Эльбрусского вулканического центра..............................................................125

§5.1. Анализ экспериментальных результатов, полученных при бурении Тырныаузской опорной скважины глубиной 4000 метров............................................................125

§5.2. Оценка тепловых запасов в районе Эльбрусского вулканического центра..............130

Выводы по пятой главе....................................................................................137

Заключение.................................................................................................138

Литература..................................................................................................141

Введение

Диссертационная работа «Исследование тепловых и наведенных волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра»

посвящена решению задач, связанных с совершенствованием методов изучения внутреннего строения, динамических и тепловых особенностей неоднородной геологической среды в районе вулканической постройки. Решение затронутого класса задач проведено с использованием современных математических и экспериментальных геофизических методов, сопоставления данных теоретического анализа с результатами геолого-геофизического и теплового мониторинга.

Актуальность темы

Одним из важных источников знаний о внутреннем строении Земли служат данные, получаемые на основе анализа структуры волновых процессов (движений), наведенных в различных геосферах [Аки К. и др., 7983; Андерсон, Дзевонский, 1984; Николаев, 1972]. Наметившийся комплексный подход к развитию существующих и созданию новых методов изучения волновых полей не случаен. Именно они служат индикаторами сложных динамических процессов в районе Эльбрусского вулканического центра, отражая происходящие структурные изменения в геофизической среде вулканической постройки и на прилегающих территориях [Николаев, 1997; Лаверов и др., 2005].

В числе физических полей, используемых в задачах геофизического мониторинга геологической среды, наиболее информативными принято считать тепловые и наведенные сейсмические поля. Установлено, что основные свойства геологической среды отражаются в их тонкой структуре [.Николаевский и др., 1970, 1984; Николаев, 1972; Алексеев и др., 1996, 2002; Собисевич, 2001; Лаверов и др., 2005]. Изучение разномасштабных образований в теле вулканической постройки, в число которых входит магматический очаг и магматические камеры вулкана, проведено с привлечением методов, которые оправдали себя на практике {Динариев, Николаевский, 2001; Собисевич, 2001; Лаверов и др., 2005].

Отмечая актуальность поставленной в диссертации комплексной задачи, отметим, что на первый план здесь выступают вопросы получения и анализа экспериментальных наблюдений, связанных с исследованиями геолого-геофизических особенностей Эльбрусского вулканического центра. В их числе и тепловые процессы в районе вулканической постройки Эльбруса. Полученные здесь новые научные результаты по тепловым полям являются актуальными в связи с поисками альтернативных источников энергии.

Цель работы

Основная цель диссертационной работы - изучение тепловых и наведенных волновых полей в районе Эльбрусского вулканического центра, оценка тепловых запасов в регионе и выдача рекомендаций по их практическому использованию.

Основные задачи исследований

В процессе выполнения диссертации необходимо было провести комплексные полевые наблюдения в районе вулканической постройки Эльбруса, изучить ряд задач и на их основе выполнить:

- анализ теоретических методов, обеспечивающих изучение геофизических свойств магматических структур вулкана Эльбрус;

- уточнение формы и положения магматических камер и магматического очага вулкана Эльбрус;

- создание новых и освоение существующих аппаратурных систем и технологий, предназначенных для мониторинга тепловых процессов в районе вулканической постройки Эльбруса;

- изучение данных аппаратурного мониторинга вулканических образований (магматических камер и очага) с целью уточнения их основных параметров;

- изучение флюидной активности в регионе;

- проведение экспериментальных работ по уточнению структуры тепловых аномалий в районе вулканической постройки;

- оценку тепловых запасов в районе Эльбрусского вулканического центра.

Научная новизна

В диссертации проведен анализ геодинамических особенностей района Кавказских Минеральных Вод и Приэльбрусья, выявлены места наибольшей

5

тектонической и вулканической активности и показано, что они совпадают с ареалами наибольших концентраций гидротермальных проявлений.

В пределах Эльбрусского вулканического центра экспериментальными методами уточнено положение магматического очага и магматической камеры.

Построены теоретические соотношения и приведены методы решения прямых и обратных задач, связанных с определением мощности источников тепла в теле вулканической постройки. Сформулированы общие теоретические схемы их решения.

Исследована структура тепловых полей в районе Эльбрусского вулканического центра и на прилегающих территориях методами дистанционного зондирования. Проведено изучение малоамплитудных тепловых аномалий на покрытой льдом поверхности вулканической постройки.

Проведены экспериментальные работы по изучению тепловых полей и волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра, включая исследование тепловых потоков в штольне под горой Андырчи и непосредственно на вулканической постройке.

В структуре Эльбрусского вулканического центра подтверждено наличие магматической камеры в районе вулканической постройки в интервале глубин 1-10 км ниже уровня моря и впервые определена температура верхней кромки камеры. Согласно уточненным данным ее приведенные размеры находится в пределах 8-9 км, а температура около 850 °С.

Проанализированы современные технологии извлечения тепловой энергии Земли и даны рекомендации по использованию тепловых запасов в районе Эльбрусского вулканического центра.

Практическая значимость работы

В диссертационной работе современные геолого-геофизические и физико-математические методы использованы и доработаны применительно к анализу неоднородной геологической среды в районе Эльбрусского вулканического центра.

Получены новые научные результаты, отражающие структуру тепловых полей в районе вулканической постройки Эльбруса; выявлены теоретически и подтверждены экспериментально тепловые запасы вмещающих пород в окрестности магматического очага и магматической камеры. Проведенными исследованиями заложены основы практического использования

исследованных тепловых запасов в народном хозяйстве Республики Кабардино-Балкария.

Новые научные результаты использованы в ИФЗ РАН, ИГЕМ РАН, ИГ РАН, Кубанском и Кабардино-Балкарском государственных университетах Минобразования и науки РФ, в других организациях и промышленных НИИ.

Исходный материал

В основу настоящей работы положены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные автором начиная с 2005 года при выполнении работ в рамках Программы Президиума РАН № 16 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы», при работе над инициативными проектами (грант РФФИ №№ 06-05-64048), в порядке выполнения плановых работ Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.

Автор диссертации принял участие в работе трех комплексных геолого-геофизических экспедиций РАН, которые проводились в сейсмоопасных регионах Европейской части России (Северный Кавказ, район Эльбрусского вулканического центра; Краснодарский край, районы распространения грязевого вулканизма). Данные полевых наблюдений обработаны и использованы в диссертации.

Основные защищаемые положения:

1. Теоретические и экспериментальные результаты, полученные при изучении тепловых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра, включая:

- новые данные по тепловым полям и наведенным волновым процессам в окрестности магматической камеры и магматического очага вулкана Эльбрус.

2. Модели и методы, описывающие тепловые и волновые процессы в геологической среде, трансформацию волновых полей на вулканических структурах, включая:

- методы решения прямой и обратной задач, связанные с определением мощности источников тепла в теле вулканической постройки;

- результаты экспериментального мониторинга наведенных волновых процессов в неоднородной геологической среде вулканической постройки.

3. Оценка запасов тепловой энергии в районе Эльбрусского вулканического центра, включая:

- создание новых аппаратурных систем и технологий, предназначенных для мониторинга тепловых процессов в районе вулканической постройки Эльбруса.

Личный вклад автора

Основные результаты, полученные лично автором, включают:

- данные изучения тепловых аномалий на поверхности вулканической постройки Эльбруса;

- экспериментальные данные, связанные с уточнением температурного режима и положения магматических структур в районе вулканической постройки: уточнение размеров магматического очага, простирающегося вдоль магмоконтролирующего разлома;

- применительно к району Эльбрусского вулканического центра проведен теоретический анализ прямых и обратных задач теплофизики и сформулированы общие теоретические схемы их решения;

- экспериментальные исследования температурных полей на поверхности вулканической постройки Эльбруса контактными методами;

- оценка запасов геотермальной энергии в районе Эльбрусского вулканического центра.

Достоверность результатов

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, определяется:

1. Корректностью и обоснованностью использованных экспериментальных технологий измерения тепловых полей в районе Эльбрусского вулканического центра.

2. Сопоставлением закономерностей, полученных в результате численного и натурного экспериментов, прямой и обратной связью модельных задач и теоретических построений с экспериментальными данными, полученными при проведении масштабных полевых геолого-геофизических работ в районе Эльбрусского вулканического центра и на вулканической постройке.

Публикации по теме диссертации

1. Голубев В.Г., Лиходеев Д.В. Система геотермического и климатического мониторинга Баксанской геофизической лаборатории

// Сейсмические приборы. Вып. № 42. М. 2006. С. 29-36.

2. Лиходеев Д.В., Михаленко В.Н. Температура кровли магматической камеры вулкана Эльбрус // Геофизические исследования, 2012, том 13, №4, с.70-75.

3. Масуренков Ю.П., Собисевич А.Д., Лиходеев Д.В., Шевченко А.В. Тепловые аномалии Северного Кавказа // ДАН (Геофизика). 2009. Т. 428. № 5. С. 667-670.

4. Масуренков Ю.П., Собисевич A.JL, Шевченко А.В., Дударов З.И., Бажева P.P., Лиходеев Д.В., Долов С.М. Анализ состояния флюидно-магматических систем Эльбрусского вулканического центра // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН, 2013, №1, с. 61-70.

5. Собисевич A.JL, Лиходеев Д.В. Особенности строения вулканов центрального типа. // Вестник Владикавказского научного центра. 2008. Т. 8. № 2. С. 34-46.

6. Собисевич A.JL, Лиходеев Д.В. Резонансные неоднородности, тепловые аномалии и наведенные волновые процессы в геологической среде вулканической постройки // Сб. тр. конф.: Проблемы мониторинга природных процессов на территории Северного Кавказа. М.: Региональная общественная организация учёных по проблемам прикладной геофизики (РООУ ППГ). 2007. С. 46-55.

7. Собисевич Л.Е., Лиходеев Д.В. Локальные тепловые и резонансные аномалии в разломно блоковых средах // Экологический вестник научных центров ЧЭС №3. 2007. С. 47-54.

8. Likhodeev D.V. The results of studies of temperature fields in the Elbrus volcanic center // European Geosciences Union General Assembly 2012, Vienna, Austria, 22 - 27 April 2012.

9. Nechaev Y.N., Sobissevitch A.L., Likhodeev D.V. Study of lateral and vertical variability of the lithosphere via analysis of satellite imagery data // Proceedings of the "GIS and Spatial Analysis. 2005 Annual Conferen