Кафедра физики Земли

Лаборатория сейсмологии

Сейсмологическое направление на кафедре физики Земли зародилось с первых лет существования кафедры. В 20-х годах его возглавил профессор Павел Михайлович Никифоров, который внес большой вклад в развитие отечественной сейсмометрии. Профессор Дмитрий Петрович Кирнос, один из выпускников кафедры в предвоенные годы, создал впоследствии сейсмографы, которыми были оснащены сейсмические станции Советского Союза. В послевоенные годы на формирование сейсмологической школы большое влияние оказал чл.–корр. АН СССР Евгений Федорович Саваренский, который постоянно поддерживал связь с Ленинградским университетом, читая курс лекций и руководя дипломными работами студентов. Он воспитал плеяду крупных советских сейсмологов, к которым в первую очередь следует отнести выпускника кафедры академика Сергея Леонидовича Соловьева, внесшего огромный вклад в развитие сейсмологических наблюдений, в том числе и наблюдений цунами на Дальнем Востоке.

Лаборатория сейсмологии по руководством доц. Бориса Леонидовича Очаповского в 50-е годы ведет работы по сейсмологии и гравиметрии. Так, в 1952 г. были определены сейсмологические характеристики вечной мерзлоты на островах Северная Земля (Б.Л. Очаповский, Ю.В. Кедрин), а в 1955–59 г. на дрейфующих станциях СП–4 (Б.Л. Очаповский, асс. Е.М. Линьков) и СП–6 (Е.М. Линьков, Ю.В. Кедрин) были получены ценные сведения о естественных колебаниях ледяного покрова и его упругих свойствах.

В те же годы мнс Ф.М. Гольцман проводит частотный анализ сейсмических волн, аспирант, а затем и ассистент Н.В .Шаньгин разрабатывает методику сейсмических наблюдений для малых глубин и изучает упругие свойства горных пород, ассистент О.М. Распопов исследует вертикальный градиент силы тяжести.

В конце 50-х годов в лаборатории по инициативе Е.Ф. Саваренского были начаты исследования микросейсмических движений, для которых Евгением Михайловичем Линьковым (1928–1997 г.г.) была создана электронно–лучевая поляризационная установка, позволявшая определять преимущественные направления на источники микросейсм, исследовать их структуру и ее изменения во времени.

Впервые было выявлено присутствие в микросейсмах волн Лява, и установлен механизм образования колебаний типа волн Лява.

Цикл работ по изучению упругих характеристик льда, проведенных, в частности, на дрейфующих станциях СП–4 и СП–6 составил предмет его кандидатской диссертации "Исследования упругих свойств ненарушенного ледяного покрова сейсмическими методами" (1961 г.). Полученные им данные вошли в Морской регистр и используются на практике при проводке судов во льдах на Северном морском пути. Работы в этом направлении продолжаются и развиваются группой его учеников в институте Арктики и Антарктики в Санкт-Петербурге.

В начале 60-х годов создается ряд приборов для измерения напряженного состояния массива горных пород, опасных по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа, в частности, - шахтный наклономер, удостоенный серебряной медали ВДНХ (1964 г.)

В конце 50-х годов Е.М. Линьковым был создан первый сейсмометрический канал с магнетронным преобразователем на основе вертикального сейсмометра Д.П. Кирноса, предназначенный для регистрации длиннопериодных колебаний Земли. Магнетронный преобразователь представлял собой электронную лампу, укрепленную на маятнике, анодный ток которой изменялся при смещении относительно магнита, жестко связанного с основанием прибора. Такой преобразователь позволил заметно поднять увеличение на длинных периодах, благодаря чему в 1964 году после сильного землетрясения на Аляске удалось впервые в нашей стране зарегистрировать основное собственное колебание Земли с периодом 54 минуты (самый низкий тон).

В начале 70-х годов был создан сверхдлиннопериодный сейсмический канал (вертикальный), ориентированный на регистрацию колебаний с периодами собственных колебаний Земли и более. Основанием для модернизации измерительных характеристик послужили данные экспериментальных наблюдений, а именно: смещение и флуктуации амплитуды относительно среднего уровня самих трасс записи на сейсмограмме. С помощью нового канала в июне 1974 года были записаны сверхдлиннопериодные колебания Земли с амплитудами, значительно превышавшими уровень фона, которые возбуждались перед землетрясениями. Амплитуды колебаний не увеличивались после землетрясений, что указывало на другой источник их возбуждения. Спектрально-корреляционный анализ записей (Л.Н. Петрова) показал, что периоды этих колебаний близки к собственным колебаниям Земли и что устойчиво возбуждаются колебания с периодами более 1 часа. Данные факты противоречили традиционным представлениям о том, что собственные колебания Земли возбуждаются только сильными землетрясениями, а природа колебаний с периодами, превышающими собственные, была неизвестна.

В 1980–1990гг в связи с переездом кафедры в Петергоф проведен большой цикл работ по созданию новых сейсмических каналов, способных с большим увеличением и высокой стабильностью измерять колебания с периодами от десятков минут до 6 и более часов при существенно заниженном влиянии лунно-солнечного прилива. Это стало возможным благодаря повышению защиты вертикального маятника от внешних помех с помощью термобарокамеры, что позволило поднять чувствительность вертикального сейсмического канала до 100 В/м на периоде 2 ч. Для сравнения можно отметить, что на периоде 3 часа достигнутое увеличение в 30 раз превышает увеличение сейсмографов мировой сети Geoscope. К середине 90-х годов эти работы закончились созданием цифрового сейсмогравиметрического комплекса для регистрации всех компонент сверхдлиннопериодных сейсмических колебаний и синхронных с ними колебаний атмосферного давления. Для регистрации инерциальных горизонтальных ускорений создана специальная антинаклонная платформа, благодаря которой существенно снижено влияние на маятники региональных и приливных наклонов. В качестве преобразователя по смещению используется современный фотоэлектрический преобразователь с линейной частотной характеристикой. В экспериментальных работах под руководством Е.М. Линькова принимали участие С.Я. Типисев, Е.Г. Орлов, В.В. Карпинский и А.А. Миронов, создавший генератор сверхдлиннопериодных колебаний для калибровки сейсмометрических каналов комплекса.

Параллельно исследовалась структура сверхдлиннопериодных колебаний, разрабатывались специальные методы для выявления неслучайных колебаний в ансамбле спектров полипериодических процессов с шумом (Л.Н. Петрова), для уточнения частоты и амплитуды этих колебаний, что особенно важно в условиях их интерференции (Н.Г. Савина, Т.Б. Яновская). В результате исследований с помощью этих методов доказано, что колебания, возбужденные в условиях низкой сейсмической активности с периодами, близкими к собственным колебаниям Земли, имеют регулярный характер, т.е. являются неслучайными. Установлены структура спектра колебаний с периодами более 1 ч, факт существования устойчивых колебаний и группирование их на частотной оси, определен статистический спектр колебаний и те области частот, на которых Земля возбуждается наиболее часто (Л.Н. Петрова).

В 1987 году в монографии Е.М. Линькова «Сейсмические явления» обобщены результаты всех научно–экспериментальных сейсмических исследований, проведенных им и под его руководством. Колебания с периодами порядка часа и более, обладающие гравиинерциальным характером ускорения, получили название — сейсмогравитационные колебания Земли. К концу 90-х годов закончены исследования структуры спектров и изменения интенсивности этих колебаний во времени. Выявлены основные закономерности и особенности сейсмического процесса с периодами более 1 часа, факт возрастания интенсивности колебаний перед циклом сильной сейсмической активности на Земле и перед отдельными сильными землетрясениями. Установлена связь сейсмогравитационных колебаний Земли с колебательными процессами в других физических полях, а именно: с огибающей акустической эмиссии горных пород, с вариациями приземного атмосферного давления, а также с синхронными изменениями высокоширотного планетарного АЕ–индекса. Доказана возможность возбуждения атмосферы процессами, происходящими в Земле.

Результаты выполненных исследований признаны и зарегистрированы в качестве открытия № 217 — "Явление сейсмогравитационных колебаний Земли" (авторы Е.М. Линьков, Л.Н. Петрова, С.Я. Типисев).

С приходом на кафедру в 1968 г. Татьяны Борисовны Яновской, выпускницы ЛГУ 1954 г., в лаборатории начались теоретические работы по созданию методов решения обратных задач для исследования внутреннего строения Земли. В работах принимали участие младшие научные сотрудники Л.М. Антонова, Е.Н. Итс, Л.А. Дмитриева и студенты. При решении обратных задач были использованы некоторые новые элементы, а именно: комплексирование данных разного типа, применение метода сингулярных разложений и метода Бейкуса–Гильберта, оценка разрешения и постановка задачи на основе разрешающей способности экспериментальных данных. В течение 1968–73 г.г. удалось разработать метод решения обратной задачи восстановления скоростного разреза по совокупности данных о временах пробега сейсмических волн. На основе данных о временах пробега сейсмических волн через ядро были получены новые данные о строении переходной зоны между внешним (жидким) и внутренним (твердым) ядром Земли.

Начиная с 1975 г., группа занималась разработкой теории распространения сейсмических поверхностных волн в латерально неоднородных средах, что требовалось для интерпретации данных для реальной неоднородной Земли. Для слабо неоднородных сред была разработана методика расчета лучей и амплитуд поверхностных волн. Для среды с вертикальными границами раздела разработана новая методика расчета и получены численные оценки интенсивности отраженных поверхностных волн (Е.Н. Итс, Т.Б. Яновская). Эти работы велись в контакте с грузинскими и итальянскими сейсмологами.

С 1980 г. начались исследования в области сейсмической томографии. Т.Б. Яновской предложен новый способ решения двумерной томографической задачи, основанный на идеях метода Бэйкуса–Гильберта, который нашел широкое применение при оценке латеральных вариаций поверхностных волн (Т.Б. Яновская, П.Г. Дитмар).

За исследования в области теории и методов расчета полей сейсмических волн Т.Б. Яновской в 1982 г. присуждена Государственная Премия СССР в области науки и техники.

Исследования, проводимые в лаборатории с 1982 г. под руководством Т.Б. Яновской в рамках межвузовского сотрудничества с Гамбургским университетом, направлены на оценку спектрального состава очагового излучения по широкополосным сейсмическим записям. Для исключения влияния среды на спектры наблюдаемых продольных волн разработана методика и составлена программа расчета спектральных калибровочных функций. (Яновская Т.Б., Рослов Ю.В.). В ходе этой работы выяснилась необходимость уточнения модели поглощения в мантии Земли, и на основе сопоставления теоретических расчетов и наблюдений была уточнена зависимость добротности вещества мантии от глубины и частоты.

В 1983 г. было издано учебное пособие Т.Б. Яновской и Л.Н. Пороховой «Обратные задачи геофизики».

В 1995 г. Т.Б. Яновской разработан метод так называемой азимутальной томографии - оценки латерального распределения фазовых скоростей поверхностных волн по данным азимутальных аномалий. Создан комплекс программ для решения трехмерной томографической задачи по данным о групповых скоростях поверхностных волн, с помощью которого оценено строение коры и верхней мантии в отдельных регионах. В настоящее время в глобальных сейсмологических исследованиях метод поверхностных волн является основным для получения информации о строении коры и верхней мантии и для этой цели широко используются методика и программы, разработанные Т.Б. Яновской (США, Италия, Китай, Испания, Греция). С 1990 г. Т.Б. Яновская регулярно является лектором на проводимых Международным Центром Теоретической физики школах-семинарах по моделированию, возбуждению и распространению сейсмических волн.

За исследования в области сейсмологии Т.Б. Яновская в 1997 году была избрана почетным членом (Fellow) Американского Геофизического Союза (AGU).

В середине 90-х г.г. лаборатория сейсмологии приняла участие в проекте NARS–DEEP: по инициативе Утрехтского университета и при поддержке INTAS в 1996 г. установлены две широкополосные станции с автономной регистрацией в Санкт-Петербурге и Пскове, недавно еще одна станция установлена в Петрозаводске. Кроме того, на базе сейсмической станции "Пулково" в 1998 г. установлена аппаратура сети GEOFON, и работу этой станции курирует также лаборатория сейсмологии. Установка этих станций дала возможность проведения исследований строения мало изученной области перехода от Русской платформы к зоне Альпийской складчатости в западной Европе, а также слабой сейсмичности в южной части Балтийского щита и северной части Ладожского озера