Аннотация результатов, полученных в 2018 году
http://tass.ru/nauka/4017667 В работе по проекту в 2018 году окончательно определился состав геофизических методов – сейсмическая томография, зондирования становлением электромагнитного поля со специальным источником и нетрадиционные магнитотеллурические зондирования. Каждый метод подвергался обоснованию и адаптации к применению в Арктике на дрейфующем льду. Сейсмическое направление. Установка сейсмических станций на плавающих льдах является многообещающей технологией проведения сейсмологических исследований в Арктике. Первые подобные работы, выполненные сотрудниками Института Альфреда Вегенера г. Бременхавен в Германии (AWI), продемонстрировали эффективность установки подобных плавающих сейсмических сетей для изучения локальной и региональной сейсмичности и построения трехмерных сейсмических моделей. Однако, остались нерешенные задачи о корректной идентификации различных фаз сейсмических волн, и, в частности, S-волн. В рамках данного проекта, было сделано численное двух- и трехмерное моделирование распространения сейсмических волн, сгенерированных землетрясением с целью изучения возможности регистрации различных волновых фаз на морской поверхности. Для моделирования нами был выбрано описание землетрясения согласно стандартной теории сейсмического источника, которая описана в работе Aki & Richards (1980). Для моделирования использовалось несколько различных моделей источника, а именно, сдвиг, сброс, и вертикальное смещение. Численное моделирование продемонстрировало несколько неочевидных особенностей распространения волн, которые должны приниматься во внимание при анализе экспериментальных данных, зарегистрированных на плавающих льдах. Полученные результаты численного моделирования были представлены в статье, которая подана в Geophysical Journal International и в настоящее время находится на этапе рецензирования. Нами были внесены изменения в алгоритм локальной сейсмической томографии LOTOS, ранее разработанного исполнителями проекта, а именно было учтено изменение координат станций во времени, а также учтено влияние водного слоя на траектории лучей Pw и Sw волн. Алгоритм был протестирован на синтетических моделях, а также на реальных данных, полученных в ходе экспериментов ученых из Института Альфреда Вегенера. Работа по модификации алгоритма продолжается, в частности необходимо добавить возможность учета фазы SPw. Полевой эксперимент планируется на конец февраля– конец апреля 2019 года. Нами будут установлены две станции вблизи Тикси, которые простоят до конца апреля. Выбранный временной промежуток обусловлен, тем что именно в это время лед наиболее крепок и вероятность потери оборудования минимальна. Одна из станций будет установлена на морском льду, а вторая поблизости на суше. Такая схема позволит сравнить записи, получаемые в различных условиях и оценить влияние слоя воды на качество регистрации. В ходе подготовки к полевым работам, на средства гранта были закуплены новые сейсмические регистраторы DataCube3 ext, обладающие необходимыми характеристиками и возможностью непрерывной записи текущих координат. Также в распоряжении имеются сейсмические сенсоры Guralp 6T. Электромагнитные зондирования с искусственным источником. С целью оперативного моделирования и интерпретации поля кругового электрического диполя (КЭД) в трехмерных условиях развит математический аппарат в борновском приближении. Созданные программы протестированы с помощь расчетов методом конечных элементов. На основе линеаризованного решения прямой трехмерной задачи в борновском приближении предложен томографический подход к интерпретации данных с использованием КЭД. Проведенное моделирование для гармонического и устанавливающегося электромагнитных полей, возбуждаемых круговым электрическим диполем (КЭД) подтвердило эффективность такого источника в морских условиях в одномерной среде. Методика с использованием КЭД явно не уступает известному на Западе методу CSEM, но эффективна в мелком и глубоком море при небольших разносах. Трехмерное моделирование для устанавливающегося поля КЭД, показало эффективность такого источника в морских условиях при выявлении локальной неоднородности на большой глубине под дном моря. Начата подготовка к проведению зимнего эксперимента на льду Обского водохранилища. До установления ледяного покрова состоялись выезды на р. Обь и проводились замеры сопротивлений электрических линий, заземленных в воду. Подготавливается комплекс аппаратуры и источники энергии для выезда на лед в феврале. Нетрадиционные магнитотеллурические зондирования. В трехмерной среде вертикально падающая первичная волна возбуждает также ТМ-моду, в которой присутствует вертикальная компонента электрического поля. Поскольку свойства мод по чувствительности к параметрам неоднородностей среды могут различаться, вызывает интерес анализ возможностей МТЗ с дополнительной регистрацией этой компоненты. Сейчас для ее регистрации проводят измерения разности потенциалов на вертикальной электрической линии (ВЭЛ), погруженной в водоем. На суше необходимо бурить или использовать уже имеющиеся скважины, что не всегда возможно. В Арктике с этой целью можно использовать круговой электрический диполь (КЭД), располагаемый на дрейфующей льдине. Важно, что этот способ применим на шельфе в неглубоком море, когда длина ВЭЛ, погружаемой в водоем, естественным образом ограничена. Поскольку регистрируемый КЭД потенциал ТМ-моды зависит не только от параметров 3D неоднородностей в среде, но и от амплитуды, поляризации и латеральной неоднородности первичной волны, возбуждающей среду, был проведен детальный анализ всех эффектов с помощью теоретического и численного моделирования. Теоретические исследования показали, что в случае идеального КЭД, состоящего из континуума радиальных линий бесконечной длины, регистрируемая им разность потенциалов полностью совпадает с разностью потенциалов, регистрируемой ВЭЛ в среде, если толщина скин-слоя много больше характерного размера латеральных неоднородностей среды (на низких частотах). Численное моделирование результатов применения КЭД показало, что вследствие контролируемых отличий реального КЭД от идеального по количеству и длинам радиальных линий наблюдается смещение между кривыми зависимостей потенциалов ВЭЛ и КЭД от временного периода по оси ординат. Коэффициент смещения не зависит от значений УЭС в неоднородности при одинаковых остальных условиях. Это приводит к выводу об эквивалентности регистрации на дрейфующей льдине разности потенциалов с помощью ВЭЛ и КЭД. В северных широтах первичный источник МТ-поля на земной поверхности в присутствии мощных авроральных токов в ионосфере и магнитосфере может быть отличным от вертикально падающей на среду волны. Была рассмотрена модель токовой струи в ионосфере, направленной на восток и находящейся вне рассматриваемого полигона. Установлено, что потенциал, регистрируемый с помощью КЭД, практически не зависит от данной неоднородности первичного источника. Определение пространственно-временного спектра геофизических параметров по наблюдениям на перемещающемся пункте вполне возможно с помощью модели типа двумерного разложения Фурье с коэффициентами, определяемыми по совокупности всех наблюдений при известных координатах пункта. http://tass.ru/nauka/4017667

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В 2019 году мы смогли организовать и принять участие в полевых экспериментах на ледовой поверхности. Основным результатом, имеющим большие научные последствия стало участие в первом этапе программы комплексных научных исследований «Трансарктика-2019» на научно-экспедиционном судне (НЭС) «Академик Трёшников», организованной Росгидрометом. В рамках работ по программе судно вморозили в морской лед к северо-северо-западу от Земли Франца-Иосифа, и в течение месяца оно дрейфовало вместе со льдом. Условия эксперимента максимально соответствовали задачам, поставленным в рамках данного проекта. Две временные сейсмические станции ТА2 и ТА3 были установлены 3 апреля 2019 года на удалении от корабля и от друг друга порядка 700-800 метров. Третья станция ТА1 была установлена 10 апреля на удалении около 2 км к юго-юго-востоку от корабля. Все станции отработали бесперебойно. Были получены трехкомпонентные записи скоростей смещения среды в точках установки станций, записанные с частотой 200 Гц. Помимо этого, каждые полчаса записывались текущие координаты станций. В результате предварительного анализа сейсмических записей были выделены сигналы от нескольких землетрясений, произошедших за время работы станций. Например, было зарегистрировано землетрясение магнитудой MS=6.0 произошедшее 11 апреля 08:18:23UTC вблизи Японии (40.35⁰N 143.35⁰E) на глубине 35 км. Важным результатом считаем подготовку, организацию, проведение и анализ результатов экспериментов на льду Обского водохранилища. Это стоило нам значительных усилий, финансовых и временных затрат, но серьезно продвинуло к целям гранта. Выполнена верификация предварительных измерений потенциала ТМ-моды установкой КЭД на ледовой поверхности реки Обь. Достоверность измерений потенциала ТМ-моды установкой КЭД проверена с привлечением данных ранее проведенных в районе испытаний двух пунктов МТЗ. По данным этих пунктов решена обратная задача по восстановлению геоэлектрической 3D-модели среды в окрестности размещения установки КЭД. В случае МТЗ возбуждаемый в 3D-среде потенциал ТМ-моды зависит от поляризации первичного источника - вертикально падающей на среду волны. Для учета этого обстоятельства введены соотношения, подобные импедансным, и определены локальные коэффициенты связи для найденной 3D-модели среды в точке размещения центра КЭД. Результаты расчетов потенциала ТМ-моды для восстановленной модели среды соответствуют экспериментальным данным, полученным с помощью КЭД. Продолжались теоретические исследования. Реализованы и с помощью численного моделирования протестированы программно-алгоритмические средства для решения обратной задачи МТЗ с учетом дополнительных данных о потенциале ТМ-моды, получаемых с КЭД на дрейфующей льдине в Арктике. Получен уникальный опыт в реализации силовой электромагнитной установки на ледяной поверхности. В результате экспериментов на льду Обского водохранилища реализована установка зондирований вертикальными тока и произведены зондирования в импульсном режиме. Опытные работа позволили определить технологию будущих много более мощных зондирований на льдах в арктическом бассейне. Проведено трехмерное математическое моделирование различных ситуаций при движении электромагнитной импульсной установки (метод ЗВТ) на поверхности глубокого моря. Подтверждена эффективность таких зондирований. Разработан и опробован на синтетических данных аппарат трехмерной томографической инверсии большого количества данных, получаемых с дрейфующей приемно-питающей установки ЗВТ.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
-------------------------Сейсмическое направление-------------------------------------------- Тестовый эксперимент по установке сети сейсмических данных на дрейфующих льдах, осуществленный в рамках данного проекта в 2019 году, показал, что с помощью использованной в нем технологии установки станций возможна регистрация локальных и удаленных землетрясений (Кузнецов и др., 2020a, Яковлев и др.). Однако, район севера Баренцева моря, где были установлены станции, асейсмичен, поэтому за время эксперимента удалось зарегистрировать лишь несколько локальных и удаленных событий, которых недостаточно для построения сейсмотомографической модели. В связи с этим было принято решение построить модель сейсмического строения коры под участком хребта Гаккеля в районе 85⁰ в.д. на основании данных, полученных ранее исследователями из AWI, Германия. В 2007 году в районе зоны 85 в.д. была осуществлена экспедиция под названием AGAVE с ледоколом Oden. Во время кампании AGAVE в 2007 г. на трех льдинах была развернута сейсмическая сеть (Schlindwein & Linder, 2007), которая использовалась для идентификации нескольких сотен местных сейсмических событий и построения предварительной томографической модели (Korger и Schlindwein, 2014). Учет горизонтальных неоднородностей позволил им повысить точность определения местоположения источников. Однако они использовали только P-волны, что сильно ограничивало интерпретацию. В настоящем исследовании мы пересматриваем этот набор данных и представляем новую томографическую модель, включающую распределения скоростей продольных и поперечных волн. Дополнительная информация о скорости S-волн, и особенно о соотношении Vp/Vs, имеет решающее значение для выявления источников магматической активности. По результатам построенной сейсмотомографической модели и распределения сейсмичности были выделены следующие особенности строения литосферы под хребтом Гаккеля. Сейсмические события сконцентрированы вдоль наклонной зоны, падающей от юго-западной границы рифтовой долины на северо-восток. Это может быть зона разлома, пересекающая всю литосферу возникшая в результате продолжающегося расширения хребта Гаккеля как нормального разлома (например, Nikishin et al., 2018) или разлома отрыва (Cochran et al., 2003). По результатам проведенной интерпретации мы предполагаем, что основной причиной эпизодической сильной вулканической активизации изучаемого района является вторжение части летучих веществ из более глубокого источника, возможно, расположенного в астеносфере. Для флюидов более эффективно распространяться через более холодные хрупкие среды, в которых поток флюидов может создавать гидроразрывы, обеспечивающие быструю миграцию, чем через канал горячей пластичной магмы. Согласно нашим результатам, флюиды могут подниматься из астеносферы по наклонной зоне разлома. В этом случае наблюдаемая сейсмичность в интервале глубин 25-15 км ниже уровня моря может указывать на процесс гидроразрыва пласта во время миграции флюида. Достигая резервуара магмы, эти флюиды становятся нестабильными из-за более высокой температуры, что вызывает активную дегазацию. Насыщенная пузырьками магма, разрушает холодную и плотную покрышку и вырывается на поверхность, вызывая взрывное извержение с выделением большого количества газов. Этот сценарий объясняет факт взрывного характера вулканизма и наличие большого количества обломков пород в районе сегмента 85 в.д. хребта Гаккеля. Результаты данного исследования были представлены на конференции «Глобальные проблемы Арктики и Антарктики» (Кузнецов и др., 2020b), а также подготовлена статья, которая находится на рассмотрении в журнале «Nature Communication» ------------------------- Магнитотеллурическое направление ------------------------------- Магнитотеллурическое зондирование (МТЗ) на дрейфующих льдах в Арктике приемлемо для обнаружения 3D-неоднородностей электропроводности коры при регистрации потенциала поперечно магнитной (ТМ) моды электромагнитного поля. Их проявления в поведении стандартных магнитотеллурических кривых экранируются хорошо проводящими слоями морской воды и осадков. Для регистрации потенциала ТМ-моды мы предлагаем использовать в качестве приемника в МТЗ круговой электрический диполь (КЭД), расположенный на поверхности льда. Измерения электрического поля на дрейфующем льду можно проводить с помощью электродов в морской воде. Мы предлагаем опустить магнитные датчики также под лед в морскую воду, так как подвижки льда мешают измерениям компонент магнитного поля. Координаты станции наблюдений МТЗ на дрейфующих льдах в Арктике (по аналогии с более ранними наблюдениями на станциях Северный Полюс) могут существенно изменяться. Для учета эффекта горизонтальных перемещений дрейфующей станции мы предлагаем сопровождать все регистрируемые временные ряды координатами точек измерений. Мы разработали технику обработки таких данных, чтобы учесть эффекты неоднородности первичного источника, которые могут возникнуть в Арктике из-за близости ионосферных струй тока. Мы выполняем синхронизацию всех наблюдений в исследуемой области, используя модель пространственно-временных вариаций поля и накопление данных. Для проверки нашего подхода мы используем синтетические экспериментальные данные для модели, учитывающей присутствие морской воды, осадков, резистивной коры, объекта в коре и подстилающей мантии. Мы определяем параметры 3D-объекта в коре, учитывая распределения потенциала ТМ-моды на поверхности морской воды, восстановленные по синтетическим экспериментальным данным дрейфующей станции при ее перемещениях. Для оптимизации характеристик объекта мы используем метод Нелдера-Мида. Параметры объекта оказываются практически такими же, как их тестовые значения, если траектория дрейфующей станции проходит через объект, охватывая его наиболее полно. ------------------------------Активные электромагнитные зондирования----------------------------------- В 2020 году, в соответствии с планом работ были проведены дополнительные исследования по подготовке аппаратурного комплекса к полевым исследованиям на дрейфующих льдах. Опыт полевых работ на различных объектах и тестовые измерения на льду показали, что необходимо разрабатывать специализированный измеритель для метода ЗВТ, который измеряет несколько каналов как магнитных так и электрических, для одновременной регистрации компонент магнитных компонент и электрической компоненты поля. Это особенно актуально на дрейфующих льдах для исключения изменения разреза в измерениях разных компонент за счет движения измерительной установки. Для решения этой задачи в течение года велась разработка геофизического многоканального измерителя «VCS-R01-5» с характеристиками, соответствующими работам в условиях арктического региона. Многоканальный электроразведочный измеритель предназначен для регистрации переходного процесса во вмещающей среде, обусловленного изменением электрического и/или магнитного полей, создаваемых активным источником. Прибор рассчитан на использование в арктических условиях. Были проведены лабораторные и полевые испытания во время производственных работ на «Южно-Маканском» участке республики Башкортостан, оценивалась совместимость измерителя «VSC-R01-5» с имеющимися датчиками электромагнитного поля, идентичность результатов, полученных измерителем «VSC-R01-5» и электроразведочным измерителем «Цикл-7». Анализ полученных результатов показал, что прибор соответствует необходимым техническим характеристикам для проведения измерений в условиях арктических регионов и позволяет измерять несколько компонент электромагнитного поля одновременно, что важно при исследованиях с дрейфующих льдов. В 2020 году совместно с коллегами из НГТУ было доработано математическое обеспечение GeoPrep (авторы Персова М.Г., Соловейчик Ю.Г., Вагин Д.В., Трубачева О.С.) созданное ранее. Усовершенствования связаны с внесением в геоэлектрическую модель параметров вызванной поляризации и анизотропии, что несомненно является большим шагом вперед, поскольку эти характеристики часто встречаются в геологических средах и недоучет этих параметров может привести к искаженной интерпретации конечных полевых результатов. В результате тестирования разработанной программы IFGEM_3D для расчета прямой задачи для метода ЗВТ показано, что: результаты расчетов прямой задачи для программ IFGEM_3D и GEOPREP совпадают при сравнении площадных построений, время расчетов программы Geoprep существенно выше, чем в программе IFGEM_3D (в 20 раз), реальные модели, используемые для интерпретации полевых материалов в программе IFGEM_3D, насчитывают около 50 объектов (что существенно больше чем раньше), в программе IFGEM_3D есть возможность использовать модель с параметрами поляризации. Работа со сложными моделями сред с учетом вызванной поляризации позволяет получить более близкую к реальности модель среды, что повышает достоверность результатов интерпретации. Также эти преимущества дают возможность начать разработку программы автоматической обратной задачи. Автоматическая обратная задача выведет процесс обработки реальных данных на принципиально новый уровень.