Структурные подразделения

Геофизическая обсерватория

Первый научный руководитель Геофизической обсерватории д.ф.- м.н. В.В. Нестеров. (1981 – 1997 г.г.)

Организация и создание Геофизической обсерватории Таврического национального университета им. В.И. Вернадского (ранее Симферопольского государственного университета им. М.В. Фрунзе) была начата   1981 году  группой энтузиастов во главе с д.ф.-м.н. В. В. Нестеровым.

Большой вклад в организацию объекта наблюдений внесли - бывший начальник Севастопольской базы Геофизической обсерватории  Г.Н.Кирчанов, а также бессменные наблюдатели: Н.К.Плакса, А.В.Стародубов, Э.И. Колесников, Н.Д. Кудинов, Т.А. Кочиев, А.В. Катрыч.

Научным куратором, пропагандистом деформографических исследований обсерватории, долгие годы, был  ведущий научный сотрудник Института динамики геосфер Российской АН, д.ф.-м.н., профессор МГУ им. М.В. Ломоносова  - В.А. Дубровский.

В разные периоды научными руководителями работ выполняемых в Геофизической обсерватории  были – д.ф.- м.н. В. В. Нестеров, д.ф.- м.н. Ю.Н.Мицай, к.ф.- м.н., д.ф.-м.н. В.Н. Чехов, Ю. Б. Иванов.

Геофизическая обсерватория расположена  в подземных сооружениях правого дальномерного поста бывшей береговой артиллерийской батарей № 35, построенной в 30-х годах прошлого столетия (окрестности бухты Казачьей, г. Севастополь).

Ведущий научный сотрудник Института динамики геосфер РАН, д.ф.-м.н., профессор МГУ В.А. Дубровский.

Измерительный объём обсерватории находится в штольне (глубина около 20 метров), соединяющей правый дальномерный пост с основным сооружением батареи и имеет серию герметичных перегородок-задраек (двери, люки), изолирующих от внешних воздействий. Эти характеристики стали решающими факторами при выборе места для установки высокочувствительных приборов и проведения геофизических измерений в 1986 году.

В качестве основных инструментальных средств исследования колебательных процессов в окружающей среде в Геофизической обсерватории используются двухлучевые лазерные интерферометры майкельсоновского типа с разнесенными пучками, имеющие чрезвычайно высокие метрологические характеристики, использующие в качестве эталона длину волны стабилизированного по частоте лазера. В настоящее время лазерные интерферометры являются самыми чувствительными приборами для измерения изменений оптической разности хода с широчайшим частотным диапазоном, что позволяет использовать их для измерения перемещений, деформаций, атмосферного давления, влажности, состава воздуха и т.п. Причём чувствительность таких измерений является, как правило, рекордной. Важным достоинством интерферометрических измерений является их абсолютность, так как результат измерений сопоставляется с длиной волны лазерного излучения, которая известна с высокой точностью. Достигнутый в настоящее время квадрат пороговой чувствительности к деформациям,

Лазерные интерферометры-деформографы в измерительном объёме Севастопольской базы Геофизической обсерватории

С июля 1991 года по настоящее время были организованы непрерывные автоматизированные измерения литосферных деформаций большебазовыми лазерными интерферометрическими комплексами, разработанными в университете. Параллельно проводятся непрерывные измерения температуры в штольне и на поверхности Земли, а также вариаций атмосферного давления. Исследована корреляция литосферных деформаций с важнейшими метеорологическими характеристиками. Двумя одинаковыми равноплечными лазерными интерферометрами, установленными на одной станции, получены многолетние непрерывные записи и установлено, что долговременный аппаратурный дрейф разработанных интерферометров не превышает 2,5E-8 1/ год.

Обнаружены новые закономерности в динамике литосферных деформаций: в спектрах зафиксированы периоды, соответствующие собственным колебаниям Чёрного моря, т.е. одной из причин возникновения длиннопериодных деформаций земной коры являются собственные колебания ограниченных водоёмов.Достигнута рекордная для двухлучевых интерферометрических схем пороговая чувствительность к деформациям. Предпринята попытка выработать методику количественного сопоставления результатов деформографических измерений и характеристик объёмов добычи в окрестности Крымского полуострова природного газа.

д.ф.-м.н., заведующий кафедрой прикладной математики, профессор ТНУ, член экспертного совета по оценке сейсмической опасности и прогнозу землетрясений при Верховной Раде АРК -  В.Н. Чехов

Теоретиками группы – В.Н.Чеховым, Ю. Б. Ивановым  и В.А. Лушниковым выполнены расчеты периодов и собственных форм сейшевих колебаний Чёрного моря , а также Казачьей и Камышовой бухт Севастопольского побережья Черного моря, давления на литосферные плиты и их смещения под влиянием этих колебаний. Численные оценки периодов получены в результате решения задачи о колебании вращающейся идеальной несжимаемой жидкости в бассейне произвольной геометрии.

Следует отметить, что результаты наблюдений в Геофизической обсерватории привлекали внимание ведущих специалистов в области оптики и геофизики из ведущих академических институтов постсоветского пространства (ИФЗ, ИОФАН, ИРЭ, АКИН, ГОИ).  Их представители проводили и проводят совместные исследования на базе Геофизической обсерватории ТНУ (ИДГ РАН, УГГРИ, КГФЭ).
В 1988 году  был установлен на период экспедиции  интерферометр в пещере Эмине-Баир-Хосар (плато Чатыр-Даг, Крым). Были получены уникальные записи деформаций в двух географических точках Крыма.

В 90-е годы были проведены (совместно с ПГИ АН СССР и АКИН) интерферометрические измерения на мысе Сеть-Наволок (Кольский полуостров), о. Шпицберген (Норвегия).

В 2003 году на Севастопольской базе Геофизической обсерватории, УГГРИ был установлен высокочувствительный маятниковый наклономер системы А.Е. Островского (погрешность измерений – 0,001//), изготовленный в Полтавской гравиметрической обсерватории группой сотрудников во главе с к.ф.-м.н. В.П. Шляховым.

Прибор располагается в подземном помещении, примыкающем к измерительному объёму, в котором находятся лазерные интерферометры-деформографы. Таким образом, появилась уникальная возможность синхронно исследовать долгопериодные геофизические процессы принципиально различными прецизионными устройствами. Планируется дальнейшая установка научной аппаратуры для комплексного изучения и проведения геофизических наблюдений с целью изучения природы сейсмических явлений  и выявления прогностических признаков региональных землетрясений.

В данный момент станция работает в режиме непрерывности. Проводится оперативная обработка рядов наблюдений с использованием методов цифрового спектрального анализа. Применяя разработанную нами ранее методику, постоянно измеряются уровни спектральной плотности мощности регистрируемого сигнала в фиксированных частотных диапазонах, соответствующих периодам сейш Чёрного моря. Эти исследования позволяют делать вывод о вероятности возникновения сейсмических событий в Крымско-Черноморском регионе.

Приведём в качестве примера наиболее удачные записи, полученные в Геофизической обсерватории ТНУ в 2007 – 2008 годах. Достаточно удачно удалось получить геофизические данные в течение августа-сентября 2007 г. Общая картина наблюдавшихся деформаций представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Запись  выполнена начиная с 16 ч 11 м 13.08.07. Масштаб по горизонтали – сутки; масштаб по вертикали – единица оцифровки АЦП. Для представления данных через относительные деформации следует использовать коэффициент 2,96E-11 (отн. деф./ед. АЦП). На фоне глобального тренда отчётливо различаются гравитационные приливные деформации (мелкомасштабные колебания траектории записи). Обращают на себя внимание два «излома» деформационной кривой, отделяющие друг от друга участки, на которых форма поведения процессов хорошо аппроксимируется полиномами первого порядка. Безусловно, регистрируемые данные отражают динамику локальных напряжений в штольне, окружающей измерительный объём. Однако, нам известно, что подземный комплекс расположен в известняковом массиве, имеющем характерные размеры порядка нескольких сот метров. И анализ многолетних, ранее проведенных наблюдений, показывает, что деформации, измеряемые на Севастопольской станции, демонстрируют отчётливый монотонный тренд. Поэтому, правомерно будет утверждать, что такое «поведение» кривой отражает в какой-то мере глобальные процессы, происходящие в литосфере Крымского полуострова и его окрестности.

Рис. 2.

На рисунке 2 демонстрируется запись, полученная начиная с 0h 38m 16.08.07. Масштаб по горизонтали – секунды; масштаб по вертикали – единица оцифровки АЦП. Для представления данных в масштабе  относительных деформаций следует использовать ранее указанный коэффициент. Данный фрагмент наблюдений однозначно сопоставляется землетрясению магнитудой 8, произошедшему в 23h 40m 58s 15.08.07 на глубине 39 км. Эпицентр находился в точке с координатами 13,39° Ю.ш. 76,61° З.д (http://neic.usgs.gov/neis/epic/epic_global.html Earthquake Hazards Program USA). Здесь уместно вспомнить, что равноплечный интерферометр измеряет разность деформаций в своих плечах. Поэтому интенсивность отклика прибора на сейсмическое событие зависит от направления прихода волны. Этим объясняется «парадокс» отсутствия регистрации некоторых значительных землетрясений. На интервале от 6000 до 8000 секунды отчётливо видна пластическая деформация, имеющая на наш взгляд, локальное происхождение.

Рис. 3.

На рисунке 3 представлена запись, полученная начиная с 0h 50m 13.09.07. Масштаб по горизонтали – часы; масштаб по вертикали – единица оцифровки АЦП. Для представления данных в масштабе  относительных деформаций следует использовать выше указанный коэффициент. Данный фрагмент наблюдений однозначно сопоставляется землетрясению магнитудой 7.9, произошедшему в 23h 49m 05s 12.09.07 на глубине 35 км. Эпицентр находился в точке с координатами 2,50° Ю.ш. 100,94° В.д. (http://neic.usgs.gov/neis/epic/epic_global.html Earthquake Hazards Program USA). Этот рисунок наглядно демонстрирует уникальную способность интерферометра-деформографа регистрировать процессы в широком диапазоне частот. Плавная огибающая деформационной кривой соответствует приливной гравитационной волне.
На рисунке 4 представлена запись землетрясения магнитудой 7,3 получена 16.11.08 на Севастопольской базе Геофизической обсерватории ТНУ., произошедшего на острове Сулавеси (Индонезия), зарегистрированная аппаратурой, установленной в Геофизической обсерватории. Эпицентр находился в точке с координатами 1,29° С.ш. и 122,1° В.д. (http://neic.usgs.gov/neis/epic/epic_global.html Earthquake Hazards Program USA.) Время на графике указано в часах. По вертикали – единицы оцифровки АЦП. Широкополосность измерительной аппаратуры иллюстрирует тренд траектории записи.

Рис. 4.

Наиболее значимое региональное сейсмическое событие в 2008 году произошло в 8h 00m 21s 07.05.08. Это было землетрясение магнитудой 4,9 и очагом на глубине порядка 10 км. Координаты эпицентра: 45,36° С.ш., 30,92° В.д. (http://neic.usgs.gov/neis/epic/epic_global.html Earthquake Hazards Program USA) Удалённость от месторасположения обсерватории порядка 250 км.
На рисунке 5 изображена кривая литосферных деформаций, наблюдавшихся в течение нескольких месяцев в канун и после этого землетрясения. Даты, отмеченные на горизонтальной оси графика, приводятся в англо-саксонской нотации: месяц/число. По вертикальной оси в качестве единиц измерения указаны единицы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) системы регистрации измерительного комплекса.

Рис. 5.

Интересно отметить, что незадолго до момента землетрясения наклон деформационной кривой радикально уменьшился и даже сменил знак. В последней декаде мая знак наклона восстановился, а его величина превзошла прежние значения. Таким образом, вид крупномасштабных деформационных процессов в данном случае не демонстрировал каких-либо ярких аномальных особенностей, позволивших бы сделать предположение о готовящемся событии.
Для решения такого рода прогностических проблем нами на протяжении последних нескольких лет используется оригинальная методика, разработанная в Геофизической обсерватории. Кратко суть метода описывается следующей совокупностью действий. Диапазон частот (или периодов, что, по сути одно и то же), охватывающий последовательность первых, наиболее значительных, сейшей Чёрного моря, разбивается на несколько поддиапазонов. Критерий разбиения – в каждом поддиапазоне находится хотя бы одна мода собственного колебания моря.  Экспериментальные данные делятся на последовательные сегменты одинаковой длительности. Обычно соседние реализации «пересекаются» друг с другом на величину от четверти до трети своей продолжительности. Так поступают потому, что при вычислении спектральных оценок используют весовые функции, которые кардинально уменьшают вклад начальных и конечных фрагментов каждой из реализаций. Единая длина для каждого сегмента выбирается из расчёта получить значимые оценки спектральной плотности мощности (СПМ) в поддиапазоне с максимальными значениями периодов спектральных гармоник.
После предобработки каждой реализации, которая состоит из прореживания (децимации), компенсации локального тренда, исключения наиболее интенсивных приливных гравитационных гармоник, и полосовой фильтрации, выполняется числовой спектральный анализ. Вычисляются суммарные значения СПМ в каждом из упомянутых поддиапазонов, результаты запоминаются как значения функции времени, в качестве аргумента которой выбираются моменты, соответствующие срединной части реализации. Далее процесс повторяется для следующего сегмента данных.
В результате получаем столько временных последовательностей, сколько диапазонов периодов было запланировано. Результаты интерпретируются следующим образом. Чем спокойней был сигнал в данном диапазоне в соответствующий период времени, тем меньше значение соответствующей оценки СПМ. И наоборот – чем интенсивней протекали деформационные процессы в исследуемом диапазоне частот, тем больше значение полученной функции в соответствующие интервалы времени.
Серия рисунков с номерами 6, 7, 8, 9, 10 представляет графики зависимости СПМ от времени в десяти поддиапазонах, полученные из деформационных данных лазерного интерферометра. Не трудно убедиться, что в большей части функций кривые резко шли вверх на промежутках, предшествовавших моменту упоминавшегося землетрясения. Отсутствие такой закономерности для последовательностей из интервалов 11,90h – 14,40h и 9,60h – 11,65h мы поясняем тем, что в этих поддиапазонах периодов размещаются полусуточные гармоники гравитационных периодов, которые в данном временном масштабе можно охарактеризовать как «стационарные» процессы. Это предположение подкрепляется не гладкой формой этих двух кривых, т.е. полусуточные гармоники эффективным образом генерируют своеобразные биения. В качестве масштаба по вертикали на всех графиках используются единицы АЦП.

Рис. 6. Зависимость от времени СПМ в диапазонах периодов: 14,79h – 21,05h (сплошная кривая); 11,90h – 14,40h (пунктирная кривая).

Рис. 7. Зависимость от времени СПМ в диапазонах периодов: 9,60h – 11,65h (сплошная кривая); 7,82h – 9,44h (пунктирная кривая).

Рис. 8. Зависимость от времени СПМ в диапазонах периодов: 6,84h – 7,71h (сплошная кривая); 6,08h – 6,76h (пунктирная кривая).

Рис. 9. Зависимость от времени СПМ в диапазонах периодов: 5,31h – 6,02h (сплошная кривая); 4,93h – 5,26h (пунктирная кривая).

Рис. 10. Зависимость от времени СПМ в диапазонах периодов: 4,56h – 4,89h (сплошная кривая); 4,21h – 4,52h (пунктирная кривая).

Вероятной альтернативой «не геофизическому происхождению» особенностей в динамике СПМ являются погодные явления. Однако анализ топологии изобарических линий над Черным морем в исследуемый период времени не позволяет предположить, что изменения атмосферного давления могли столь сильно возбудить моды сейшей моря. В этой связи, возможно, трактовать столь резкий рост в зависимостях СПМ от времени как предвестник произошедшего землетрясения.

Выводы: изложенная методика обработки и представления геофизической информации являет реальный подход к решению проблемы краткосрочного прогноза региональных землетрясений.

В период 1981 – 2009 гг. коллективом исполнителей по данной тематике было выполнено 34 хоздоговорных и госбюджетных тем. Получаемая геофизическая информация обсуждается в Крымском экспертном совете по оценке сейсмической опасности и прогнозу землетрясений при Верховной Раде АРК (КЭС http://seismoexpert.crimea.ua/). ТНУ, в лице Геофизической обсерватории, является соисполнителем Республиканской программы  «Сейсмобезопасность Автономной Республики Крым и защита населения от сильных землетрясений», принятой СМ АРК 16.11.2005г. КЭС  9 раз являлся заказчиком хоздоговорных тем по данной тематике и выражает заинтересованность в проводимых исследованиях, являющихся неоспоримым дополнением  к  информации, получаемой классическими сейсмическими приборами. Опубликованы  более 100 научных статей, получено более 20 авторских свидетельств, защищены кандидатская и докторская диссертации, выпущена монография. Многократно результаты проводимых исследований доложены и апробированы на международных конференциях, симпозиумах, школах. На изучаемом материале защищены десятки курсовых и дипломных работ студентами математического и физического факультетов ТНУ. Студенты физического факультета принимали активное участие в разработке и создании научной материальной базы Геофизической обсерватории ТНУ, проходили производственную и преддипломную практику.

Следует отметить большой вклад в разработке и создании интерферометрических комплексов Геофизической обсерватории ТНУ инженеров и научных сотрудников, работавших в разные годы и работающих сейчас: Ф.Н. Панкова, В.А. Насонкина, В.С. Медведева, С.Л. Головина, И.Л. Ломакин, О.В. Боборыкиной, А.В. Буклерского, С. Сельникова, А. Хазана, М.В. Бойко, А.М. Карта, А.А. Шостка, Я.В. Водолагина.

С благодарностью вспоминается участие в работе обсерватории бывших студентов физического факультета ТНУ – Дениса Накиденя, Дениса Нордена, Вадима Удовыдченко, Февзи Абдуллаева, Александра Багмута,  Романа Левченко, Николая Панкова и других.

Латынина Л.А. – д.ф.-м.н., проф., гл.н.с., ИФЗ РАН,(г. Москва), Боборыкина О.В. – н.с. Геофизической обсерватории ТНУ (г. Симферополь), Назаревич А.В. – к.ф.-м.н., ст.н.с, КО ИГФ НАНУ (г. Львов), Насонкин В.А. – с.н.с. Геофизической обсерватории ТНУ (г. Симферополь). 13 сентября 2009г. Геофизическая обсерватория ТНУ (г. Севастополь, бухта Казачья).

В данный момент непрерывное дежурства на базе Геофизической обсерватории несут – Н.Д. Кудинов, А.В. Стародубов, В.Н. Бойко .

С.н.с. В.А. Насонкин проводит обработку рядов наблюдений, полученных в обсерватории. Применяя разработанную  ранее методику, измеряет уровни спектральной плотности мощности регистрируемого сигнала в фиксированных частотных диапазонах, соответствующих периодам сейш Чёрного моря, что позволяет делать вывод о вероятности возникновения сейсмических событий в Крымско-Черноморском регионе.

Инженерную поддержку работы интерферометрических комплексов Геофизической обсерватории осуществляют: Ф.Н. Панков, А.В. Буклерский, В.И.Токарев.

Ответственным исполнителем проводимых научно-исследовательских работ в Геофизической обсерватории ТНУ им. В.И Вернадского является н.с. О.В. Боборыкина. (E-mail: b0b04ka14@mail.ru)

8 - 13 сентября 2009 года в г. Алуште проходил XIV Международный научно-технический симпозиум «Геоінформаційний  моніторинг навколишнього середовища: GPS i GIS - технології» с участием ведущих специалистов Украины и ближнего зарубежья. Участники симпозиума совершили ознакомительную поездку на стационарную интерферометрическую станцию Геофизической обсерватории ТНУ (г. Севастополь, бухта Казачья).

В 2010 году были продолжены геофизические исследования, получена рекордная по длительности запись деформационных процессов Земли (см. рис. 11-15).

Рис. 11.

Рис. 12.

Рис. 13.

Рис. 14.

Рис. 15.

13 - 18 сентября 2010 года в г. Алуште проходил XV Международный научно-технический симпозиум «Геоінформаційний  моніторинг навколишнього середовища: GPS i GIS - технології» с участием ведущих специалистов Украины и зарубежья. Участники симпозиума совершили ознакомительную поездку на стационарную интерферометрическую станцию Геофизической обсерватории ТНУ (г. Севастополь, бухта Казачья).

Павел Календа  (RNDr., Институт горной и структурной механики (Чехия)) и Фёдор Панков (ведущий инженер Геофизической обсерватории ТНУ (г. Симферополь)), 17 сентября 2010г. в измерительном объёме Геофизической обсерватории ТНУ (г. Севастополь, бухта Казачья) проводят рекогносцировку для установки новой измерительной аппаратуры.	В. К. Милюков - д.ф.-м.н., заведующий сектором ГАИШ МГУ им. М.В. Ломоносова и В.А. Насонкин - с.н.с. Геофизической обсерватории. Геофизическая обсерватория ТНУ (г. Севастополь, бухта Казачья).

Основные публикации