Кафедра физики Земли

Лаборатория геоэлектрики

Геоэлектрика – одна из ветвей геофизической науки. Это направление возникло в стенах физико-математического факультета и Научно-исследовательского физического института в 20-х годах, когда в 1923 году на физико-математический факультет была переведена с геологического факультета кафедра геофизики. Основными задачами кафедры являлись подготовка специалистов для нужд народного хозяйства и развитие научной работы в различных областях геофизики, в том числе и геоэлектрики. В первые годы на кафедре проводились работы по изучению электропроводности горных пород. Развивались методы измерения сопротивления в естественных и лабораторных условиях. В это время на кафедре большое внимание привлекали работы А.А. Петровского, разрабатывающего метод естественного поля для обнаружения электропроводящих рудных объектов.

А.А. Петровский пришел в геофизику в самом начале 20-х годов уже будучи известным физиком и крупным радиотехником того времени. Работая непосредственно с А.С. Поповым, он развивал научные основы теории распространения электромагнитных волн; его известная монография «Научные основания беспроволочной телеграфии» сыграла решающую роль с установлении приоритета А.С. Попова на изобретение радио. В 1923 году во вновь организованном Институте прикладной геофизики (ИПГ) А.А. Петровский возглавил отдел электроразведки. По методу естественного поля А.А. Петровским разработаны способы полевых измерений, и в частности гальванометрический метод измерения; созданы неполяризующиеся электроды оригинальной конструкции; решена задача и исследовано поле поляризованных проводников в форме сферы и проведены полевые работы на ряде сульфидных месторождений. Первые работы этим методом А.А. Петровским были поставлены на рудном Алтае в 1924 году. Благодаря работам А.А. Петровского, метод вошел в мировую практику.

Большую роль в развитии геоэлектрики в Ленинградском университете и в постановке ее на физико–математическую основу сыграл профессор Виктор Робертович Бурсиан. В 1923–24 г.г. в Ленинграде были созданы две первые геофизические организации — Институт прикладной геофизики и Геофизическая секция при Геолкоме. В.Р. Бурсиан, тогда еще доцент физико–математического факультета, был приглашен для организации и руководства электроразведочными исследованиями в этих организациях. Ученый с большим опытом исследовательской и педагогической работы, близко связанный с физическими учреждениями Ленинграда, В.Р. Бурсиан сумел в короткий срок подобрать и организовать коллектив сотрудников и создать электроразведочный отдел в секции при Геолкоме.

В отделе одновременно развивались исследования по разработке теоретических основ методов электроразведки, велись аппаратурные разработки и в широких масштабах ставились полевые работы. Уже в течение первых лет своей деятельности электроразведочный отдел занял в секции ведущее место. Одновременно В.Р. Бурсиан возглавил работы в лаборатории электрометрии в Университете на кафедре геофизики. В 30-ом году лаборатория была преобразована в кафедру электрометрии в геофизическом отделе, который возглавил Тверской Павел Николаевич. В.Р. Бурсиан, физик–теоретик по образованию, привлек к работе на кафедре известных ученых физико–математического факультета Фока В.А и Фредерикса В.К. Его внимание в этот период было сосредоточено на развитии методов электроразведки на постоянном токе. Занимаясь, в основном, разработкой теоретических вопросов, он читал курс лекций по электроразведке, руководил полевыми работами и многократно выезжал в экспедиции. Результаты своих исследований В.Р. Бурсиан обобщил в монографии, которая вышла в 1933 году и была первым в мире фундаментальным учебником по электроразведке. Вторая часть учебника по теории переменного поля выйти полностью в свет не успела. В 1937 году В.Р. Бурсиан был арестован и уже больше не вернулся в Университет. Умер он в 1945 г. в тюрьме. Так закончилась жизнь этого чрезвычайно талантливого ученого, педагога и организатора нового направления в геофизике — электроразведке.

Следующий этап в развитии геоэлектрики связан с Александром Павловичем Краевым, учеником В.Р. Бурсиана. После защиты диссертации в 1938 году на тему «Становление поля в трехмерной проводящей среде», послужившей прологом к развитию метода становления поля, широко используемого в электроразведке вплоть до настоящего времени, А.П. Краев увлекся идеей частотного электромагнитного зондирования, первые шаги в развитии которого были сделаны еще В.Р. Бурсианом. А.П. Краеву удалось получить ряд новых результатов, касающихся эффективности применения переменного электромагнитного поля для электроразведки и электрокаротажа скважин. Зимой 1941 года, в блокадном Ленинграде А.П. Краев защищает докторскую диссертацию «Электромагнитное частотное зондирование слоистого массива». Эта диссертация и лекции, читаемые им для студентов–геофизиков послужили основой для создания нового направления в элктроразведке, развиваемого в отделе физики Земли НИИФ и по сей день.

Война нарушила жизнь кафедры. Развитие научной деятельности практически прекратилось. Профессор Краев А.П. со своими сотрудниками— ассистентами Зацепиным В.Р. и Ивановым И.П. остались в Ленинграде и с первых дней войны занимались разработкой оборонной тематики. С конца 1941 по 1945 год Краев А.П. служил в минно–торпедном отделе Краснознаменного Балтийского флота.

После войны работы в области геоэлектрики были возобновлены с большим размахом благодаря деятельности А.П. Краева. Под его руководством и при его участии в 1946 году был проведен первый в мире широкомасштабный эксперимент по глубинным дипольным зондированиям с разносом между питающей и приемной установкой до 60 км. Было оценено распределение сопротивлений до глубины около 20 км и обнаружено его понижение при разносах больших 40 км.

Работы проводились в Финском заливе и на Карельском перешейке. Применялась дипольная установка с неподвижной питающей линией размером в 1,5 км, расположенной в море у берега острова. В нее подавался импульсный ток силой до 1000 А. Приемные линии перемещались по морской и сухопутной трассам, длина которых составляла соответственно 64 и 75 км. Наблюдения на морской трассе выполнялись А.П. Краевым и Н.Б. Яновской, на сухопутной — А.С. Семеновым и Н.П. Силиным. работу генераторной группы обеспечивал В.Р. Зацепин.

Выполненные работы показали реальную возможность изучения электрического разреза с использование дипольной схемы и существовавшей в то время аппаратуры до глубин, по крайней мере, первых десятков километров. На кривых зондирования обеих трасс, заданных под углом 40° одна по отношению к другой, при разносах, превышающих 40 км, было зафиксировано резкое понижение кажущегося сопротивления, что указывало на присутствие на глубинах в 10–20 км хорошо проводящего слоя пород. Природу его А.П. Краев был склонен связывать с температурным влиянием, а А.С. Семенов — с присутствием элетронно-проводящих пород (графитистых сланцев, пирит–пирротининстых пород). При этом допускалось, что понижение кажущегося сопротивления могло быть обусловлено линейной проводящей зоной, секущей обе трассы зондирования.

Основное значение глубинных дипольных зондирований состоит в том, что они послужили стимулом и основанием для широкого развития глубинных электрических исследований в нашей стране и за рубежом. Про представлению А.П. Краева Совет Министров СССР утвердил обширную программу глубинных электрических исследований, ответственность за выполнение которой возлагались на Геофизический институт (Институт физики Земли) Академии наук СССР. В эту программу, по предложению академика Г.А. Гамбурцева, наряду с электрическими были включены работы методом сейсмического глубинного зондирования (ГСЗ).

В 1951 году А.П. Краев опубликовал первую часть книги «Основы геоэлектрики», в которую вошли описания естественного поля и постоянного искусственного поля в Земли. Во второй части планировалось изложить волновую геоэлектрику, однако, написать вторую часть А.П. Краеву не удалось из-за преждевременной кончины в 1952 году. Автор не оставил никаких, даже черновых, материалов ко второй части книги, и о конкретном содержании ее можно судить лишь по курсу лекций «Волновая геоэлектрика», прочитанному им в 1950 году. Эти лекции охватывали только часть намеченной автором в предисловии к первому изданию обширной программы и содержали основы общей теории переменных электромагнитных полей в Земле и результаты работ, выполненных в Ленинградском университете к 1950 году.

А работы по частотному зондированию шли полным ходом. Летом 1952 г. были выполнены экспериментальные работы по частотному зондированию в Вологодской области. В состав этой экспедиции входили асс. Н.Б. Яновская, аспиранты Л.Б. Гасаненко, И.А. Корниенко, лаборанты Ю.В. Кедрин и Т.Д. Гладкий.

После смерти А.П. Краева работы в лаборатории геоэлектрики возглавили его ученики Г.В. Молочнов и Л.Б. Гасаненко. В 1952–53 г.г. они защитили кандидатские диссертации и продолжили развитие этого направления на кафедре. Благодаря их деятельности направление геоэлектрики успешно развивается в стенах Ленинградского университета в течение нескольких десятилетий.

В 50–60-е годы Георгий Васильевич Молочнов основное внимание уделил развитию методов частотного зондирования в горизонтально неоднородных средах. Под его руководством была создана установка для моделирования электромагнитного поля дипольных источников в многослойной среде, осложненной неоднородностью верхнего проводящего слоя в виде уступа, наклонной границы и т.п. Установка заменила отсутствующую вычислительную технику и позволила получить ряд практически важных результатов. Ближайшим помощником по проведению моделирования был лаборант Тимофей Данилович Гладкий, который работал с первого послевоенного года на кафедре и покинул ее в начале 80-х годов.

Особый размах приобрели работы в области частотных зондирований в 70-е годы. Это десятилетие связано с развитием электромагнитных исследований на морях и океанах. На кафедре разрабатывается аппаратура для регистрации электромагнитных полей в океане (Г.В. Молочнов, О.Н. Моисеев, Л.В. Артамонов), проводятся частотные зондирования на побережье Ледовитого океана с целью расчленения осадочного чехла в шельфовой зоне. Ближайшими помощниками Г.В. Молочнова были М.В. Родионов, В.Н. Рыбакин, С.С. Крылов. Результаты исследований в этот период деятельности частично отражены в книге Г.В. Молочнова, М.В. Родионова «Частотные электромагнитные зондирования с вертикальным магнитным диполем», 1982, ЛГУ.

Авторы обобщили свои многолетние теоретические, экспериментальные полевые и модельные исследования электромагнитного поля вертикального магнитного диполя. Тип источника определялся условиями работы при решении геоэлектрических и геологических задач в прибрежной зоне арктических морей, а именно высоким удельным сопротивлением первого слоя (лед при работе на шельфе и мерзлые породы на берегу), не позволявшим использовать источники с заземлениями. На основании теоретического рассмотрения поведения характеристик электромагнитного поля вертикального магнитного диполя авторы стремились к созданию полного комплекса частотных зондирований: аппаратуры, методики наблюдений и методики интерпретации полученных результатов.

Леонид Борисович Гасаненко, работающий на кафедре физики Земли вплоть до конца 80-х годов, продолжал развивать теорию частотных зондирований. Его ближайшей помощницей была Г.Т.Шолпо, выпускница кафедры 1953 года. С целью развития частотных зондирований им были проанализированы поля различных источников, расположенных на поверхности Земли и приподнятых над ней. Эти работы способствовали созданию различных методик электромагнитных зондирований и разработке способов интерпретации их результатов не только в стенах Ленинградского университета, но и оказали влияние на развитие метода частотного зондирования во многих академических институтах.

Большую роль сыграл Л.Б. Гасаненко при выпуске в 1965 году третьего издания книги А.П. Краева «Основы геоэлектрики». Л.Б. Гасаненко, используя лекции, прочитанные А.П. Краевым и преимущественно свои работы написал 4 главы в новом издании книги. В этих главах были обобщены результаты развития геоэлектрики в Ленинградском университете учениками А.П. Краева за прошедшие десять лет.

В конце пятидесятых годов по инициативе Б.М. Яновского на кафедре возникло новое направление – магнитотеллурические зондирования (МТЗ). Теоретическая работа академика А.Н. Тихонова (1950 г.) и дальнейшее ее развитие К.Л. Каньяром (1953 г.) показали возможность определения электропроводности глубинных слоев Земли по характеристикам электромагнитной волны, измеренным на земной поверхности.

Впервые идеи Тихонова–Каньяра были реализованы доцентом Б.Е. Брюнелли, научным сотрудником О.А. Бурдо и сотрудниками ВНИИ Геофизика во главе с М.Н. Бердичевским. Это стало возможным благодаря созданию Б.Е. Брюнелли короткопериодного высокочувствительного магнитометра с обратной связью, первый макет которого уже работал в 1956 году.

Первые полевые работы были проведены в 1957 г. в Тюменской области, а затем в районе Польско–Литовской впадины. В результате этих работ был развит метод магнитотеллурического профилирования (МТП), позволивший определять продольную проводимость осадочной толщи, ее суммарную мощность, и, следовательно, глубину до кристаллического фундамента. Метод МТП оказался особенно продуктивным в нефтегазовой разведке и был быстро внедрен в практику электроразведочных работ.

В 1959 г. на основе наблюдений в обсерватории Борок А.А. Ковтун и О.М. Распопов построили первую в мире кривую МТЗ, отражающая распределение сопротивления в Земле до глубины 300 км, разработали основы методики наблюдений, их обработки и интерпретации.

В 60–70-е годы в лаборатории геоэлектрики определились три научных направления и соответственно три научные группы: магнитотеллурического зондирования, морской электроразведки и естественного электромагнитного поля.

Группа МТЗ, начиная с 1960 года, проводит полевые работы. Первая экспедиция в составе трех человек – О.М. Распопов, А.А. Ковтун и А.А. Липатов трудилась в Горьковской области. В дальнейшем ежегодные экспедиции работали в разных районах Средне-Русской платформы под руководством А.А. Липатова, затем Н.Д. Чичериной, а с 1976 г. С.А. Вагина. В составе экспедиций работали Е.Л. Коковина, Е.С. Краева, Н.И. Успенский, И.Л. Варданянц. Общее руководство группой МТЗ все это время осуществляла А.А. Ковтун, на долю которой пришлась не только идейная организация экспедиционных работ, но и обработка и интерпретация совместно с Л.Н. Пороховой всех полученных материалов. На основе кафедрального образца высокочувствительного магнитометра в стране было организовано серийное производство магнитотеллурических станций МТЛ и ЦЭС, что способствовало широкому внедрению методов МТЗ и МТП в практику разведочных и научных работ.

В результате экспедиционных работ были выполнены глубинные зондирования на обширной территории по меридиану от Горького (Нижний Новгород) до Котласа и по параллели от Балтийского побережья Латвии до верховий Северной Двины. Глубинность исследований была доведена до 400 км. На всей территории на глубинах 250–400 км. была прослежена граница хорошо проводящего слоя верхней мантии.

Накопление экспериментального материала по магнитотеллурическому зондированию стимулировало постановку теоретических работ по решению обратных задач МТЗ, которыми в середине 60-х начала заниматься Л.Н. Порохова, решившая обратную задачу для слоисто-однородной среды с модельным и экспериментальным материалом. В те же годы в группе МТЗ стали развиваться работы по физическому моделированию МТЗ (А.А. Ковтун, М.А. Добровольская, Б.Е. Брюнелли, Н.С. Кузнецов). В 70-е годы эти работы возглавил С.А. Вагин. С 1976–1977 годов кроме физического моделирования И.Л. Варданянцем стало развиваться и численное моделирование для двумерных неоднородных сред в поле плоской электромагнитной волны.

Большой импульс в развитии магнитотеллурических исследований на Балтийском щите был получен в 80-е годы, когда удалось расширить интервал регистрируемых периодов в область коротких периодов, вплоть до 0,001 секунды. Это позволило уточнить строение верхней части коры и выявить в ее структуре область пониженного сопротивления на глубинах 10–25 километров. Большая заслуга в решении аппаратурных вопросах принадлежала старшему научному сотруднику О.Н. Моисееву и его ученикам Н.И. Успенскому, В.И. Комолову и М.К. Попову.

Благодаря развитию метода МТЗ, геоэлектрика получила возможность изучать распределение электропроводности на глубинах до 500 км. Методами магнитотеллурики получены данные о существовании в коре и верхней мантии многочисленных проводящих зон, чаще всего связанных с глубинными разломами, получены представления о строении тектонических активных зон.

В 1968 г. заведующим кафедрой становится Г.В. Молочнов, незадолго перед тем вернувшийся из длительной командировки в Сирию (в рамках миссии ЮНЕСКО). Назначенный вскоре и директором НИФИ, он придал новый импульс развитию кафедры. Так на кафедре в составе лаборатории геоэлектрики создается сектор морской геофизики (Г.В. Молочнов, Л.В. Артамонов).

Группа морской электроразведки, начиная с 1968 г., занимается изучением электромагнитного поля искусственных источников, разработкой метода и аппаратуры частотных электромагнитных зондирований на акватории и в прибрежной части Северного Ледовитого океана (Г.В. Молочнов, М.В. Родионов, В.Н. Рыбакин, Б.В. Степанов). Цель этих исследований – изучение геологического строения и определение мощности отложений при поисках россыпных месторождений полезных ископаемых (золота, алмазов, полиметаллов). Большой объем экспедиционных работ был проведен с НПО «Севморгео» на акваториях морей Лаптевых, Восточно-Сибирского, Чукотского, Берингова. Получены геоэлектрические разрезы этих районов.

Группа, исследующая естественное электромагнитное поле, занималась изучением особенностей естественного крайне низкочастотного (КНЧ) поля. Повышенный интерес к нему возник в начале 70-х годов как к источнику информации о земной коре и явлениях в околоземном пространстве. Возглавлял эти исследования профессор Г.В. Молочнов и ст.н.с. Л.В. Артамонов. В лаборатории геоэлектрики была создана оригинальная техника для измерения поля, как в наземных условиях, так и в толще морской воды (В.И. Комолов, О.Н. Моисеев, В.И. Аншуков, М.Н. Попов, А.А. Савельев, Н.И. Успенский). Были установлены статистические закономерности распределения КНЧ поля в околоземном пространстве, а также его атмосферное происхождение (глобальная грозовая активность).

В последнее время под руководством С.С. Крылова развернуты исследования с помощью электромагнитных полей законов формирования случайно-неоднородных геологических сред. Реальная геологическая среда является гетерогенной, полифазной, иерархически организованной на разных пространственных уровнях структурой. При исследовании таких сред используются методы статистической физики и подходы, разработанные в теории хаоса и фрактальной геометрии. Это научное направление условно называется «неклассической геоэлектрикой» (С.С. Крылов, Н.Ю. Бобров, В. Любчич, И. Сорока). Разрабатываемые методы позволяют оценивать такие характеристики случайно-неоднородных геологических сред, как фрактальная размерность и «спектры сингулярности», что открывает новые возможности оценки запасов полезных ископаемых и выявления областей динамической неустойчивости горных пород, что особенно важно для задач прогноза и мониторинга.