Важнейшие результаты научных исследований за 2005 г.
Науки о Земле.

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, ГЛУБИННАЯ ГЕОДИНАМИКА, ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕОСФЕР. Разработана принципиально новая двухстадийная модель формирования Земли, основанная на результатах численного моделирования с учетом выделения тепла при распаде короткоживущего изотопа ²⁶Al. Согласно модели, на первой стадии образуются родительские тела, размером в первые сотни километров, центральная часть которых сложена алюмосиликатным материалом, а средняя оболочка – железо-никелевым сплавом. За счет распада ²⁶Al родительские тела разогреваются до температуры плавления средней оболочки. На второй стадии, в результате столкновения родительских тел, образуются новые зародыши планеты, центральная часть которых сложена расплавленным железо-никелевым сплавом, а внешняя оболочка имеет алюмосиликатный состав. Модель позволяет объяснить природу и раннее формирование железного ядра, хондритовый состав мантии Земли и происхождение W-Hf аномалии. (Институт минералогии, Институт геофизики).
 

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ И МАНТИИ. Выполнена крупная межрегиональная корреляция отложений девона Урала, Горного Алтая, Салаира, северо-востока Сибири, отдельных областей Средней Азии и Европы на основе описания более 185 видов и родов брахиопод (в том числе 40 новых видов) и анализа их вертикального распределения. Установлена и обоснована ярусная граница прагиен–эмс в разрезе девона Зеравшанского хребта (Южный Тянь-Шань) – первого на территории бывшего СССР мирового эталона ярусной границы Международной стратиграфической шкалы. (Институт геологии и геохимии).
 

Прослежены основные этапы формирования разломов камского Приуралья от докембрия до настоящего времени. Использование эллипсоида деформации позволило восстановить план тектонических деформаций и характер взаимодействия крупных блоков земной коры, что является основой для петрологической и минерагенической моделей развития пассивной окраины Восточно-Европейской платформы. (Горный институт).
 

Установлен новый район развития нижнедокембрийских образований в пределах Тимано-Североуральского региона: для метаморфических пород микулкинской серии полуострова Канин, структурно и вещественно близкой к датированным разрезам докембрия севера Урала, получены U-Pb определения возраста по единичным кристаллам метаморфических цирконов (1948±15 млн. лет), свидетельствующие о проявлении высокотемпературного метаморфизма в породах микулкинской серии в раннепротерозойское время. (Институт геологии Коми НЦ).
 

Создана объемная модель геологического строения южного окончания Ильменогорского комплекса метаморфических пород и одноименного миаскитового массива. По новым геологическим данным и расчетам гравитационного поля существенно откорректированы размеры массива, объем которого увеличен в 2 раза по сравнению с ранее считавшимся, при двукратном сокращении мощности вмещающих толщ. При этом возрастает прогнозная площадь распространения пегматитовых тел, не выходящих на поверхность, и, соответственно, перспективы территории на редкометальное и редкоземельное оруденение. Подтверждено наличие и представительность маркирующих горизонтов, используемых для корреляции геологических разрезов Ильменогорского комплекса. (Институт минералогии).
 

Установлен в значительных количествах радиоактивный изотоп бериллий-7 в аэрозолях, мхах и лишайниках на европейском Севере России. Показано, что ⁷Be, образующийся в высоких слоях атмосферы в результате воздействия космических лучей на кислород и азот, является индикатором воздушного питания мхов и лишайников и отражает изменения метеорологических условий. Полученные данные открывают возможность более широкого использования этого изотопа (применяемого крайне редко) при изучении взаимодействия атмосферы и биосферы. (Институт экологических проблем Севера).
 

ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ. Сформулирована общая теоретическая концепция наноминералогии, обобщающая результаты многолетних экспериментальных исследований ультра- и микродисперсного состояния вещества. Установлена важная роль микро- и наноиндивидов в составе и строении литосферы, месторождениях полезных ископаемых, выявлены структурно-морфологические особенности наноминералов, исследована роль масштабного фактора в изменении их физических свойств. Получены принципиально новые данные о генезисе наноиндивидов и разработана новая концепция нанофазообразования. Предложены новые технологические решения в синтезе наносистем и извлечении ценных компонентов из тонкодисперсных руд. Разработаны новые методы исследования микро- и нанообъектов. (Институт геологии Коми НЦ).
 

Впервые получены спектры комбинационного рассеяния расплавов германатов, которые являются структурными аналогами силикатных расплавов при высоких давлениях. На примере системы Na₂OGeO₂ показано, что кислород, который вносится на начальных этапах взаимодействия GeО₂ с оксидом-модификатором, расходуется не на деполимеризацию германатных анионов, а на увеличение координационного числа атомов германия с 4 до 5 (или 6), с чем связана так называемая германатная аномалия физических и химических свойств расплавов. Установлено, что при увеличении температуры и переходе стекло–расплав высококоординированное состояние атомов германия становится энергетически менее выгодным, вследствие чего происходит понижение координационного числа части атомов германия до 4.
 

Установлены закономерности формирования структуры некристаллических силикатных систем в зависимости от состава и температуры. Результаты обобщения и анализа данных экспериментальных и теоретических исследований строения, термодинамики и физико-химических свойств силикатных расплавов опубликованы в монографии «Силикатные расплавы». (Институт минералогии).
 

Впервые, с применением метода хроматографии с предварительным выщелачиванием флюидных включений, получены доказательства эвапоритовой природы и низкотемпературного характера высоко-Mg флюидов, участвовавших в формировании месторождений-гигантов кристаллического магнезита, локализованных в отложениях нижнего рифея Южного Урала. Предложена модель раннекатагенетического образования магнезитовых месторождений, основанная на гипотезе гравитационного погружения высокомагнезиальных рассолов.
 

Предложена генетическая основа выделения фаций серпентинизации и идентификации продуктов этого процесса под действием различных флюидов. Разработка базируется на результатах детальных исследований минералов серпентиновой группы – индикаторов процесса ранней серпентинизации ультрамафитов. Изучено влияние источника серпентинизирующих вод, соотношения литостатического и водного давлений и состава эдуктов на состав и структуру главного продукта процесса – минерала лизардита. Проведен анализ особенностей изоморфизма ионов окисного железа, выполнено квантовохимическое моделирование внутрислоевого электронного строения минерала, рассмотрены особенности межслоевого взаимодействия. (Институт геологии и геохимии).
 

Впервые установлены предельно магнезиальные авгиты, выявленные в пироксенитах Урала, химический состав которых фиксирует область разрыва составов минерального ряда между авгитом и бронзитом. Полученные данные существенно дополняет сведения о типохимизме минералов кумулятивных пород, слагающих нижние части разрезов расслоенных интрузий. (Институт минералогии).
 

Открыт новый минерал макарочкинит состава Ca₂Fe²⁺₄ Fe³⁺TiSi₄BeAlO₂₀ (группа энигматита), утвержденный международной комиссией. Минерал найден в пегматитах Ильменогорского комплекса и исследован международным авторским коллективом. Сделана первая для территории России находка (Ю. Урал) редчайших сульфатов кобальта: биберита – CoSO₄ × 7H₂O, кобальт-кизерита – CoSO₄ × H₂O (вторая находка в мире и первая в природном объекте), мурхаусита – CoSO₄ × 6H₂O. (Ильменский государственный заповедник).
 

Впервые проведен полный анализ данных по минералам класса сульфатов для пород Уральского складчатого пояса. Опубликована моногарфия «Сульфаты Урала», содержащая информацию о 125 минералах этого класса – их химизме, структурах, условиях образования, экологическом значении. (Ильменский государственный заповедник, Институт минералогии).
 

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ РЕСУРСНОЙ БАЗЫ. Многолетними исследованиями металлогении Уральского региона установлены главные типы оруденения, связанные с вещественными комплексами различных геодинамических обстановок. Обоснованы подхода к поискам рудной минерализации, сопряженной с этими комплексами: поиски оруденения нетрадиционных типов, в том числе на площадях, ранее хорошо изученных; поиски месторождений традиционных и нетрадиционных типов, перекрытых мощным покровом; поиски глубокозалегающих месторождений в продуктивных комплексах. Опубликовано монографическое обобщение «Геодинамика, рудогенез, прогноз». (Институт геологии и геохимии).
 

Разработан теоретический фундамент для создания высокоэкологичной угольной теплоэнергетики, основанный на результатах изучения геохимии углеродистых биолитов. Создана обширная сводная база аналитических данных, получены новые оценки кларков и данные об аномальных содержаниях и формах нахождения в углях токсичных и потенциально-токсичных химических элементов, их поведении при промышленном сжигании углей на ТЭС, представляющем опасность для окружающей среды и здоровья людей. (Институт геологии Коми НЦ).
 

Реконструированы условия образования осадочного чехла северо-восточной части Печорского седиментационного бассейна (Хорейверская впадина и Варандей-Адзьвинская структурная зона), выделены площади, перспективные для поисков неантиклинальных и комбинированных ловушек нефти и газа. (Институт геологии Коми НЦ).
 

На основе математического моделирования процессов формирования и распада пылегазового облака (ПГО) в атмосфере карьеров установлена зависимость скорости и высоты подъема ПГО от температурного градиента и массы взрываемого заряда (рис.25). После достижения уровня конвекции происходит диффузионное рассеивание вредных примесей облака, уменьшение концентрации которых описывается гиперболической зависимостью, а увеличение объема облака – параболической. Воздействие на ПГО многофазных воздушно газожидкостных струй со скоростями больше критических вызывает разрыв сплошности облака и его рассеяние, что позволяет предотвратить выход ПГО за пределы карьера и сократить выброс вредных примесей в окружающую среду.
 

Рис. 25. Изменение скорости (W_j) и высоты подъема (Z) пылегазового облака в зависимости от массы заряда . Z_K - уровень конвекции, м; Z_T - уровень выравнивания температур, м.

(Институт горного дела).
 

Установлено, что одним из основных направлений ресурсосбережения при открытой разработке глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых является увеличение руководящих уклонов вскрывающих выработок. Эффективность применения повышенных уклонов тем выше, чем больше кривизна бортов, что определяет наибольшую целесообразность применения повышенных уклонов (оптимально – 20-30%) при отработке нижних горизонтов глубоких карьеров небольшой длины. (Институт горного дела).
 

ФИЗИКА ОКЕАНА, РОЛЬ ОКЕАНА В ФОРМИРОВАНИИ КЛИМАТА. Установлено, что термические условия поверхностных и перемешанных вод, а также промежуточных вод Кандалакшского залива (вплоть до 100 м), вопреки существующему мнению о неизменности температур в Белом море на данном горизонте, в значительной степени определяются сезонной вариациями. Изменчивость температуры промежуточных вод Бассейна в большей степени определяется процессами синоптического масштаба. (Институт экологических проблем Севера).
 

СОВРЕМЕННЫЕ КАТАСТРОФЫ И КРИТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ СРЕДЫ ПРИРОДНОГО И АНТРОПОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ – НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ И ПРОГНОЗ. Подтверждена тектоническая природа уральских землетрясений на основе анализа волновой картины и корреляции очаговых зон с неоднородностями земной коры и верхней мантии, характерными для сейсмоактивных регионов. Выделена глубинная сейсмотектоническая структура в пределах Западного Урала с пониженными упруго-деформационными параметрами литосферы и активными краевыми зонами. (Институт геофизики).
 

Разработаны научно-методические принципы оценки карстоопасности урбанизированных территорий, основанные на математическом моделировании изменения напряженно-деформированного состояния приповерхностной части геологического разреза, обусловленного карстовыми процессами. Базовыми параметрами геомеханических расчетов служат данные о локализации и формах карстовых полостей, полученные методами площадной сейсморазведки. Тип проявления карстовых деформаций (провалы, оседания) определяется по результатам математического моделирования, в зависимости от условий залегания карстующихся пород. Количественная оценка карстоопасности основана на отношении максимальных (в пределах зданий) расчетных горизонтальных деформаций земной поверхности к соответствующим предельным значениям. (Горный институт).
 

Предложен метод классификации и количественной оценки устойчивости массива горных пород относительно сильных техногенных воздействий при отработке крупных и суперкрупных месторождений в рамках активного электромагнитного индукционного пространственно-временного мониторинга. Метод основан на использовании нового параметра – поинтервального интегрального распределения интенсивности зон дезинтеграции, характеризующего динамику самоорганизации морфологии этих зон для массивов различной степени устойчивости и вещественного состав, находящихся в состоянии предразрушения. (Институт геофизики).
 

Впервые доказано, что в волновом поле, возбуждаемом вблизи тектонического нарушения массива горных пород, присутствуют слабозатухающие периодические колебания, что дает основание квалифицировать массив, вмещающий такое тектоническое нарушение, как сейсмически активную среду. (Институт горного дела).
 

В результате моделирования деформаций тектонических нарушений установлено, что при деформировании трещин в случае больших нагрузок возможно самозатухание процесса их разрушения. При этом часть контакта, не перешедшая в запредельное деформирование, является концентратором напряжений и представляет собой потенциальную опасность с точки зрения проявлений горного давления в динамической форме. (Институт горного дела).
 

Установлены закономерности трансформации нефтяных загрязнений в поверхностных условиях и произведена оценка эколого-геохимической опасности образующихся продуктов деградации нефти в почвенных и водных геосистемах. Выделены активные трансформеры, представляющие собой неустойчивые продукты деградации нефти (алкены, циклоалкены, Hal-, S-содержащие, окиси, спирты, оксосоединения, простые эфиры, кислоты), обладающие повышенной токсичностью. Доказано, что «остаточная» нефть, представленная смолисто-асфальтеновыми веществами, является источником и естественным сорбентом классических канцерогенов (ПАУ, ароматических аминов, нитрозаминов (рис.26).
 

Рис. 26. Изменение состава аквабитумоидов в модельной системе "нефть - вода".

 (Горный институт)
 

ИЗМЕНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ОСНОВЫ НАУЧНОЙ СТРАТЕГИИ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ. Изучены социально-экономические и геоэкологические аспекты устойчивого развития трансграничного пространства России и Казахстана: сформулированы представления о трансграничном географическом пространстве, создана единая геоинформационная картографическая основа приграничных территорий, впервые выполнен их геоэкологический анализ. На его основе установлены тенденции современного природопользования по обе стороны российско-казахстанской границы, выявлены диспропорции в социально-экономическом развитии приграничных регионов, установлены основные градиенты ландшафтной контрастности приграничных территорий России и Казахстана. (Институт степи, Институт географии ДВО РАН).
 

На примере территории Ильменского заповедника с использованием современных картографических и компьютерных технологий разработан и реализован метод оценки экологического состояния подземных и поверхностных вод в условиях техногенного атмосферного загрязнения: выявлено поверхностное загрязнение посредством анализа информации по аккумулирующим средам (снег, подземные и поверхностные воды) и выделена антропогенная составляющая гидрохимической обстановки. Экологическое состояние территории предложено оценивать по двум направлениям: долговременное техногенного воздействие по компонентам загрязнения вод и современное (сезонное) состояние атмосферного воздуха по компонентам загрязнения снегового покрова. (Рис.27).
 

Рис. 27. Карта загрязнения грунтовых вод соединениями меди.

(Ильменский государственный заповедник).
 

Выявлено значение солянокупольного тектогенеза в формировании ландшафтной структуры Прикаспийско-Предуральского региона. Сформулированы принципы региональной дифференциации воздействия соляного тектогенеза на ландшафтные геосистемы Прикаспийской впадины. Разработаны основные положения феноменологической концепции формирования солянокупольных ландшафтов, в основе которой лежит положение о том, что дисгармоничный прорывной характер соляных складок определяет формирование редких и уникальных урочищ, которые несут черты, не свойственные вмещающей природной зоне. (Институт степи).
 

РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ, ТЕХНОЛОГИЙ, ТЕХНИЧЕСКИХ И АНАЛИТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИССЛЕДОВАНИЯ В НАУКАХ О ЗЕМЛЕ. Разработана количественная физическая модель для описания процессов миграции радона в разрушающейся гетерогенной геологической среде. На ее основе решена задача определения пространственно-временных характеристик области разрушения – источника высокоамплитудных долговременных аномалий концентрации радона. Результаты опробованы на экспериментальных данных. (Институт геофизики).
 

На основе предложенного ИЭПС УрО РАН оригинального метода использования упругих колебаний раскачиваемых ветром высоких зданий в качестве зондирующих геологическую среду сигналов, показана возможность оперативного обследования конструктивной целостности самих зданий без нарушения жизнедеятельности производственных и жилых объектов. Обоснована методика расчета приращения бальности (рис. 28а) и ускорений в долях g (рис. 28б) по пространственному распределению интенсивностей техногенных сигналов, выделяемых из микросейсм, что позволяет строить карты микросейсморайонирования исследуемой территории.
 

а

б

Рис.28. Карта-схема сейсмического микрорайонирования центральной части г. Архангельска: а - изменение интенсивности сейсмического воздействия в зависимости от инженерго-геологических условий (в единицах приращения балльности сейсмического события); в - изменение величины ускорения силы тяжести g (в долях g).              

(Институт экологических проблем Севера)
 

Отчет о научной и научно-организационной
деятельности за 2005 г. Часть 1.