Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 503, № 2, стр. 148-153

Фундаментальные исследования глубинных слоисто-неоднородных структур литосферы, ответственных за формирование и развитие флюидно-магматических систем Северного Кавказа на современном этапе неразрывно связаны с необходимостью получения новой, наиболее достоверной информации обо всей совокупности геолого-геофизических процессов, проявляющихся в закономерных изменениях различных геофизических полей.

Применительно к задачам геофизики и тектоники флюиды следует рассматривать как жидкую или газово-жидкую субстанцию, отличающуюся от минерального вещества литосферы пониженными значениями плотности, вязкости и высокой миграционной способностью. Флюидная фаза и ее характеристики в различных частях земной коры изменяются в широких пределах. В неглубоких горизонтах – это вода с более или менее значительным содержанием растворенных солей и газов [2]; для района Эльбрусского вулканического центра [1, 4] наиболее характерны источники углекислых минеральных вод.

Известные сложности, связанные с недостатком данных о физико-механических свойствах основных элементов магматической питающей системы, накладывают ограничения на возможности моделирования геодинамических процессов, преодолеть которые позволяют данные прецизионных кварцевых наклономеров [3]. Последние в силу конструктивных особенностей подвержены действию слабых тепловых помех, что и определило необходимость создания системы строгого контроля температуры в подземной лаборатории.

В качестве исходных данных использованы результаты натурных наблюдений, выполненных на базе Северокавказской геофизической обсерватории ИФЗ РАН, на заглублении 3.9 км от входа в штольню, в боковой горной вырубке не подверженной воздействию системы принудительной вентиляции и представляющей таким образом практически идеальную площадку для исследования тонкой структуры вариаций теплового поля Земли [1, 5]. Для оборудования прецизионной системы измерений температуры в противоположных стенах помещения подземной лаборатории пробурены две пары отверстий диаметром 10 см и глубиной от 4.5 до 5.8 м, располагающиеся друг над другом под углом 30° (верхние отверстия) и 5° (нижние отверстия) к горизонту (рис. 1). Такое конструктивное решение позволило разнести первичные преобразователи на 4 м по вертикали и исключить скопление влаги в зоне их непосредственного контакта с породным массивом. Во всех боковых отверстиях предусмотрена многоступенчатая термоизоляция для уменьшения влияния температурного режима рабочего помещения лаборатории.

Рис. 1.

Вертикальное сечение помещения подземной лаборатории в плоскости проходки боковых отверстий, предназначенных для установки основных элементов температурной информационно-измерительной системы. Условные обозначения: Z1–Z8, E1–E4 – модули прецизионных электронных термометров, подключенные к многоканальным регистраторам на основе аналого-цифровых преобразователей ZETLAB и L-CARD соответственно, серые прямоугольники – пассивные заглушки из теплоизолирующего материала для минимизации атмосферной конвекции.

Аппаратурный комплекс системы прецизионного температурного мониторинга с относительным разрешением не хуже 0.001°C построен на основе специализированных информационно-измерительных модулей, разработанных в ИФЗ РАН [6]. Сигналы с первичных преобразователей через блок аналогового усиления и фильтрации поступают на 24-разрядные АЦП, сопряженные с цифровыми регистраторами, которые одновременно реализуют функции удаленного управления и доступа к экспериментальным данным посредством сети Интернет в режиме, близком к реальному времени. Перед окончательной установкой измерительных модулей в глубь отверстий в помещении лаборатории была выполнена их сравнительная калибровка с поверенными ртутными термометрами [6].

Периодические замеры глубинных температур проводятся автоматически раз в пять минут в двух боковых отверстиях. При этом в промежутках между измерениями питание температурных датчиков отключается, что позволяет практически исключить саморазогрев датчиков и беспрепятственно регистрировать тонкие температурные вариации. Датчики аналогичной конструкции, но уже с непрерывным режимом работы установлены непосредственно в помещении лаборатории, на поверхности одного из геофизических постаментов и в отверстии, пробуренном с правой стороны штольни (рис. 1).

Данная система на качественно новом уровне обеспечивает метрологическую стабильность подземной геофизической обсерватории, значительная часть оборудования которой (прежде всего – кварцевые измерительные системы) чувствительна к незначительным изменениям температуры окружающей среды или атмосферного давления.

Рассмотрим шестидневную запись, полученную двумя температурными датчиками Z1 и Z4 (рис. 2). Видно, что амплитуды температурных колебаний не превышают 0.005°С, при этом периодические изменения показаний в нижнем отверстии (Z1) по амплитуде значительно уступают таковым в верхнем отверстии (Z4). Таким образом, первые результаты высокоточных измерений температуры на базе Северокавказской геофизической обсерватории продемонстрировали достижение информационно-измерительной системой требуемых показателей по чувствительности и стабильности функционирования в условиях глубокой штольни.

Рис. 2.

Сравнение микровариаций температуры в верхнем (Z4) и нижнем (Z1) отверстиях, убран тренд, данные сглажены скользящим средним по 30 соседним измерениям.

Также в температурных данных наблюдаются достаточно выраженные суточные и полусуточные периодичности, амплитуда которых непостоянна. Переходя к анализу экспериментальных данных в спектральной области, отметим, что спектр микровариаций температуры на датчике Z4 содержит заметные суточную и, более слабые, полусуточную и восьмичасовую гармоники, что в целом соответствует периодам основных приливных волн (рис. 3).

Рис. 3.

Спектр температурных вариаций, зарегистрированных датчиком Z4.

На рис. 4 показаны результаты качественного сравнения наблюдаемых в глубокой штольне температурных периодичностей с теоретической оценкой локальных значений вертикальной компоненты гравитационного потенциала, демонстрирующие в целом устойчивую корреляцию.

Рис. 4.

Качественное сравнение нормированных значений вариаций температуры в глубокой штольне (точки измерений Z1 (1) и Z4 (2)) с нормированной теоретической оценкой локальных значений вертикальной компоненты гравитационного потенциала (3).

Первые результаты наблюдений микровариаций температуры в глубокой штольне демонстрируют выраженные 12-ти и 24-часовые периодичности, что позволяет предположить их непосредственную связь с лунно-солнечными приливами. Действительно, гравитационное взаимодействие вследствие орбитального движения системы Земля–Луна вокруг Солнца представляет собой заметный вклад в ежегодный энергетический баланс Земли: тепловыделение в недрах за счет приливного трения оценивается величиной порядка ~10²⁰ Дж/год. Не менее значимым следствием приливного воздействия является миграция флюидов в связи с периодическим уплотнением и разуплотнением трещиноватых структур земной коры.

Известно, что интенсивность релаксационных процессов в земной коре характеризуется околосуточной периодичностью, а в спектрах вариаций уровня подземных вод и объемной активности подпочвенного радона хорошо выделяются приливные волны [7]. Воздействие лунно-солнечных приливов приводит к закономерным изменениям режима подземных вод, в том числе проявляющегося в соответствующих колебаниях температур в обводненной скважине [8]. Экспериментально были обнаружены суточные и полусуточные периодичности в изменениях электропроводности в интервале глубин 3–7 км, при этом спектр колебаний кажущегося сопротивления хорошо совпадал со спектром вертикальной компоненты приливообразующих сил, что позволило авторам связать наблюдаемый эффект с земноприливными изменениями флюидного режима [9]. Отмечено влияние лунно-солнечных приливов на объемы выбросов метана из флюидонасыщенных слоистых структур морского дна [10].

Причиной возникновения суточных микровариаций температуры в штольне может быть и атмосферный прилив, обусловленный не только гравитационным воздействием Луны и Солнца, но и прогревом атмосферы на обращенной к Солнцу стороне Земли [7]. В этой связи представляют интерес результаты исследований влияния атмосферных приливов на температуру окружающей среды в пещерах естественного происхождения. Так, в работе [11] изучались сезонные колебания температуры, контролирующие процессы вентиляции пещер с учетом вариаций плотности и влажности воздуха, и было показано, что атмосферный прилив проявляется в измерениях концентрации радона в приземном слое. При этом на расстояниях более 240 м от входа в пещеру выраженной температурной изменчивости обнаружено не было. Другой группе ученых удалось выделить 12-ти часовые колебания температуры воздуха с амплитудами порядка нескольких тысячных градуса, которые могли возникнуть под влиянием полусуточных приливных компонент Солнца (S2) или Луны (M2). Дальнейшее исследование вариаций атмосферного давления в глубине пещеры не выявило в них суточной периодичности, что, по мнению авторов, позволяет рассматривать пещеры в качестве естественных обсерваторий для изучения атмосферных приливов [12].

С учетом особенностей рельефа Баксанского ущелья и высоты горы Андырчи, мощность гранитоидного массива непосредственно над помещениями подземной лаборатории составляет около полутора километров, что позволяет вплоть до вековых вариаций полностью исключить кондуктивный механизм переноса тепла с дневной поверхности, характерный для естественных пещер неглубокого заложения [13].

Температура в каждой конкретной точке геологической среды зависит как от теплового потока продуцируемого различными источниками тепла, так и от теплопроводности пород, которая в свою очередь зависит от флюидонасыщенности и может варьироваться. Важную роль играет и перенос тепла конвекцией флюидов, которая вносит существенный вклад в тепломассоперенос в вулканически активных районах [14].

Таким образом, наблюдаемые вариации температуры могут быть связаны в том числе и с конвективной составляющей тепломассопереноса в результате периодического силового воздействия лунно-солнечных приливов на геофизическую среду.

В пользу данного предположения свидетельствует более активный выход флюидов в верхнем измерительном отверстии (см. рис. 2), что отчасти подтверждается следами коррозии на креплениях датчиков Z2 и Z4, обнаруженными в ходе калибровки в августе 2019 г. При этом коррозия практически полностью отсутствовала на аналогичных креплениях датчиков Z1 и Z3 в нижнем измерительном отверстии. Кроме того, применение технологии лидарного зондирования воздуха в помещении лаборатории позволило установить взаимосвязь между концентрациями аэрозолей и изменениями температуры окружающей среды [5]. Дальнейшие исследования предполагают, в том числе, установку в обсерватории кварцевого микробарографа для совместной интерпретации геофизических данных и установления истинной природы наблюдаемых периодичностей в микровариациях подземных температур.