24397 (Геофизические исследования в океанах и морях)

Геофизические исследования в океанах и морях

До начала 60-х гг. геофизические исследования в деятельности Гидрографической службы ВМФ носили ограниченный, эпизодический и главным образом научно-экспериментальный характер.

Началу широкомасштабного и планомерного изучения Военно-Морским Флотом геофизических полей Земли, в первую очередь гравитационного и магнитного, способствовали следующие два фактора: появление советского атомного подводного флота и запуск искусственных спутников Земли.

С созданием атомных подводных лодок, способных совершать автономное плавание подо льдами Арктики, потребовалось в кратчайший срок произвести картографирование Арктического бассейна, до этого наименее изученного. Благодаря высокой степени корреляции между стационарными геофизическими полями и рельефом дна было решено применить геофизические способы исследования рельефа, привести аэромагнитную съемку и сейсмозондирование, что позволяло за короткий период максимально охватить наибольшую площадь изучаемой акватории, выявить наиболее характерные крупные формы рельефа дна и в результате рационально спланировать подробность точечных промерных работ со льда эхолотами.

Запуск искусственных спутников Земли и появление баллистических ракет вызвали необходимость расчета траекторий их полета, что в значительной степени определялось знанием с высокой точностью параметров гравитационного поля Земли на всей поверхности планеты для существенного уточнения ее формы и размеров и правильного выбора единой геоцентрической системы координат. Измерение ускорений силы тяжести в морях и океанах (на 71% площади всей поверхности планеты) могло быть осуществлено только путем широкомасштабного проведения морских гравиметрических съемок (надводных, подводных, донных, ледовых).

Очевидно, что обе проблемы по масштабности, трудоемкости, оперативности и сложности разрешения требовали концентрации больших усилий и затрат на государственном уровне.

После принятия соответствующих правительственных постановлений и решений был разработан ряд междуведомственных программ и планов, среди которых наиболее важными стали пятилетние планы Мировой гравиметрической съемки, объединявшие силы и средства Министерства обороны (Гидрографической службы ВМФ и Военно-топографической службы ВССССР), Главного управления геодезии и картографии при Совете Министров СССР, Министерства геологии СССР, Академии наук СССР и других ведомств.

Так как история развития исследований гравитационного и магнитного полей в морях и океанах различается по срокам, то представляется целесообразным рассмотреть ее раздельно по этим двум полям.

Исследования гравитационного поля

Развитие гравиметрических исследований в Советском Союзе характеризовалось широким размахом и плановостью работ, координируемых в масштабах страны. Первые гравиметрические съемки начались при поддержке Совета Труда и Обороны уже в 1921г. в районе Курской магнитной аномалии. По мере развертывания теоретических и прикладных научных исследований выявлялась тесная связь гравиметрии с геодезией, геологией, океанографией и другими дисциплинами.

В 1927г. сильное Крымское землетрясение полностью разрушило Ялту. Выясняя причины сейсмичности Крыма, доцент Московского государственного университета (МГУ) Л.В.Сорокин в 1928-1929гг. выполнял гравиметрическую съемку на полуострове и пришел к выводу о необходимости продолжить измерения в море. В июле-сентябре 1930 г. на Черном море он произвел первые в отечественной практике экспериментальные измерения ускорения силы тяжести с подводной лодки. Эксперимент завершился успешно, и в дальнейшем Сорокин выполнил съемки с подводных лодок в Черном (1933-1935), Японском (1937), Охотском (1937) и Баренцевом (1947) морях [132, 134, 135]. Его измерения отличались достаточно высокой точностью: как показали современные гравиметрические работы, систематическая погрешность съемок Сорокина не превышала 2мГал, а средняя квадратическая — ±10мГал [51].

В 1932г. начались работы в соответствии с правительственным Постановлением об организации общей гравиметрической съемки СССР. Для решения поставленной задачи в МГУ началась подготовка специалистов по гравиметрии, а в Центральном научно-исследовательском институте геодезии, аэрофотосъемки и картографии (ЦНИИГАиК) впервые в России был налажен выпуск гравиметрической аппаратуры для съемок на суше. В ходе общей гравиметрической съемки снова возник вопрос о необходимости расширения съемок на водной поверхности.

С началом первых маятниковых измерений на море с подводных лодок умами ученых завладела идея проведения гравиметрических наблюдений на борту надводных судов. Практически реализовать ее впервые удалось профессору В.В.Федынскому в 1935-1936гг. на баржах и танкерах на Каспийском море маятниковым прибором, сконструированным Л.В.Сорокиным.

Среди военных гидрографов пионером гравиметрических измерений на море являлся И.Д.Жонголович, много лет проработавший в Северной гидрографической экспедиции начальником геодезического отряда. Изучив работы Венинг-Мейнеса, он еще в 1928г. впервые в “Записках по гидрографии” высказал мысль о возможности проведения гравиметрических измерений на реках, “... поместив прибор на пароходе или еще лучше на барже” [133]. В 1935-1938гг. И.Д.Жонголович и студент ЛГУ В.X.Буйницкий провели опыты по определению силы тяжести маятниковым прибором в морях Северного Ледовитого океана во время дрейфа ледокольных пароходов “Садко” и “Седов” [136].

Результаты этих измерений оказались грубыми, но была доказана возможность использования надводных судов для гравиметрических работ. В связи с этим В.В.Федынский писал: “Теперь для всех ясна возможность и целесообразность надводных измерений силы тяжести, но в свое время среди геофизиков была острая дискуссия о принципиальной возможности использования надводных судов для морских измерений силы тяжести с достаточной точностью. Практика жизни подтвердила правоту “надводников” [137].

К 1939г. маятниковая съемка европейской части СССР в основном завершилась. Под руководством М.С.Молоденского в ЦНИИГАиК по материалам этой съемки впервые в мире по аномалиям силы тяжести были вычислены уклонения отвесных линий и превышения геоида для района Московской гравитационной аномалии; он разработал теорию и практику определения фигуры геоида при совместном использовании астрономо-геодезических уклонений отвеса и карты аномалий силы тяжести ( 1937).

В конце 1940-х - начале 1950-хгг. на мелководье шельфовой зоны морей и океанов геологи начали применять донные гравиметры, а в ряде научных учреждений СССР началось изучение условий и возможностей выполнения морских маятниковых измерений силы тяжести на борту судов различного водоизмещения (1948г. - Государственный астрономический институт им.Штернберга при МГУ (ГАИШ). 1951-1954 гг. - Институт океанологии АН СССР на нис “Витязь”: 1954-1955гг. — ГАИШ на судах “Слава” и “Апшерон”) [55, 138].

4 октября 1957г. впервые в истории человечества в Советском Союзе был запущен искусственный спутник Земли. При выполнении баллистических расчетов выяснилось, что имевшихся сведений о параметрах гравитационного ноля и фигуре Земли недостаточно для надежных расчетов орбит полетов искусственных спутников Земли и баллистических ракет, причем наиболее слабо были изучены акватории Мирового океана. Решение проблем геодезической гравиметрии (уточнение размеров и формы Земли, установление единой геоцентрической системы координат для всей планеты и т.п.) требовало создания равномерной систематической сети гравиметрических пунктов на всей площади Мирового океана и надежного контроля за качеством морских гравиметрических съемок, в связи с чем Гидрографическая служба ВМФ с 1961г. приступила к систематическому изучению гравитационного поля в Мировом океане.

В конце 50-х гг. в НИГШИ также начались целенаправленные исследования способов использования геофизических полей в морской навигации. В 1962—1964 гг. А. И. Сорокин теоретически обосновал метод определения места по рельефу дна с применением ЭВМ. В 1964-1967гг. под руководством Б.Г.Попова группой специалистов института (Б.А.Дегтярев, И.Г.Емельянова, В.С.Егорова, Р.Б.Семевский, Л.В.Смолина, Е.И.Чернобуров, В.Д.Чумаков и др.) были проведены исследования по использованию гравитационного и магнитного полей для морской навигации, обоснована возможность определения места судна в навигационно-геофизическом полигоне. Были разработаны основные требования к характеристикам полигонов и бортовым датчикам измерений параметров полей, методы и средства создания полигонов. В 1963-1965гг. А.Г.Герболинский, Г.А.Левит, С.Я.Рожецкий выполнили теоретические исследования и оценку влияния аномалий силы тяжести, уклонений отвесной линии, превышений геоида над референц-эллипсоидом на работу инерциальных навигационных систем. Они показали, что в определенных условиях погрешности выработки основных навигационных параметров, обусловленные “геодезическими неопределенностями”, могут быть равны или больше инструментальных погрешностей этих систем. В 1970г. Б.Е.Иванов указал на необходимость учета кривизны геоида в океане при решении навигационных задач [139, 140). В 1971г. Б.Г.Попов обосновал идею использования гравиметрических данных для обеспечения навигационной безопасности плавания, которую в дальнейшем развили И.Г.Емельянова, В.II.Леньков, С.Н.Процаенко. Специалисты института Е.А.Денесюк, И.Г.Емельянова, II.И.Малеев, Б.Г.Попов, В.Д.Чумаков и другие обосновали возможность определения скорости хода и широты места судна но гравитационному полю. В 1970-1980гг. под руководством В.Д.Чумакова был детально разработан математический метод решения задачи определения координат места в полигонах с применением бортовой ЭВМ, обоснованы критерии выбора полигонов и практически реализован способ определения места по рельефу дна и гравитационному полю совместно с разработчиками навигационного комплекса.

Научно-теоретические и экспериментальные исследования НИГШИ методически обеспечили и активизировали проведение геофизических работ на флотах. В 1964г. в экспедициях были сформированы геофизические отряды. Для оказания помощи в ускоренной подготовке высокопрофессиональных кадров в институте проводились краткосрочные учебные сборы офицеров геофизических отрядов экспедиций, в училище вводились новые углубленные программы обучения курсантов-гидрографов.

К началу 60-х гг. общее представление о геофизических полях и рельефе дна Арктического бассейна базировалось на отдельных случайных измерениях, полученных по пути дрейфа полярных станций и ледокольных судов (СП-1 в 1936-1938гг..СП-2 в 1950-1951гг., СП-3 в 1954-1955гг., “Георгий Седов” в 1937-1938гг.), а также в 1954-1959гг. при посадках самолетов на лед в период выполнения различных исследований. Активное участие в этих работах принимали и военные гидрографы Н.М.Аносов, А.Н.Воронов, Р.И.Гоноровский, Р.А.Дубовик, А.А.Мазепа, М.Ф.Перминов, А.Я.Свердлов, А.Г.Светлев, П.Н.Селиванов, А.И.Сорокин, И.В.Сытинский и др. К тому времени был открыт хребет Ломоносова, имелись отдельные наблюдения (около 500пунктов) гравитационного и магнитного полей.

В 1961г. на ледовой базе ААНИИ СП-13 была развернута первая Высокоширотная воздушная экспедиция Северного флота под руководством начальника СГЭ СФ Л.И.Сенчуры.

Результаты первых геофизических измерений были хотя и скромными, но обнадеживающими. Магнитные измерения, произведенные в 171 точке кварцевыми магнитометрами (QНМ и М-2 и магнитной вариационной станцией, выполнялись по программе абсолютного магнитного пункта. Сейсмозондирование (в 13 пунктах) осуществлялось 24-канальной сейсморазведочной станцией СС-24п. Гравиметрическая съемка (на 79 пунктах) производилась со льда во время посадок самолетов АН-2 и вертолетов МИ-4 сухопутными гравиметрами ГАК-Зм и ГАК-4м одновременно с измерениями 3-маятниковым прибором с фоторегистрацией ММП-П, размещенным в основном ледовом лагере экспедиции. Работа маятникового прибора периодически контролировалась путем привязки авиарейсами к береговым опорным гравиметрическим пунктам.

Для аэромагнитной съемки с борта самолета ИЛ-14 использовались аэромагнитометры АМ-13 и АЭМ-49. Координирование съемки обеспечивалось астрономическим (теодолит ОТ-02) и радиодальномерным (с помощью РНС“Рым”) способами.

В 1962-1963гг., благодаря результатам аэромагнитных съемок, удалось выявить предполагаемое местоположение неизвестного срединно-океанического хребта, где были зафиксированы сильные магнитные аномалии. Сейсмозондирование позволило определить генеральное направление его вероятного простирания, а экспедиция 1965г. подтвердила его фактическое наличие и частично исследовала. Это стало научным открытием мирового масштаба, что было засвидетельствовано на Втором международном океанографическом конгрессе в 1966г.

С 1962 по 1989г. Гидрографической службой ВМФ было проведено 28 высокоширотных воздушных экспедиций. Геофизическими исследованиями в разные годы руководили командиры геофизических отрядов (партий): А.М.Абакумов, С.Ф.Бойцов, Б.В.Буланов, С.Н.Гудков, К.С.Гудкович, В.Б.Детинин, Р.А.Дубовик, С.М.Еремин, П.М.Ершов, Н.Н.Замятин, Ф.В.Кузин, Ю.А.Курочкин, М.И.Криштапович, А.П.Макорта, В.А.Митюхляев, О.М.Никандров, В.В.Николайчук, В.И.Пелипко, Н.К.Тимошенко, Н.Г.Ягодницын и другие.

В марте-апреле 1969г. гидрографы Тихоокеанской океанографической экспедиции (В.И.Егоров, Е.Г.Георгов, Ю.В.Горбунов, В.Д.Мищенко и др.) выполняли аналогичные исследования на дрейфующем льду Чукотского моря (350пунктов гравиметрических измерений, 307 - магнитных, 40 -сейсмозондирований).

Достижения геофизических исследований стали возможными благодаря героическому труду полярных летчиков, таких, как В.А.Борисов, В.Ф.Брыкин, М.С.Васильев, Я.Я.Дмитриев, Ю.Г.Журавлев, Е.А.Карпов, Б.3.Ковченков, А.К.Кошман, Н.Г.Кривошеев, И.А.Левандовский, Н.И.Лысенко, Н.М.Троценко, А.Г.Халин, М.И.Шмелев и других.

С каждым годом по мере внедрения более современной геофизической аппаратуры совершенствовались способы геофизических исследований, накапливался опыт геофизического изучения Арктического бассейна, повышались квалификация и мастерство гидрографов Северной гидрографической экспедиции. Соответственно увеличивались объемы геофизических наблюдений (рекордным стал 1983г., когда были произведены наблюдения: гравиметрические — на 2491пункте, магнитные — на 2456пунктах, сейсмические — на 1008пунктах). Безусловно, столь успешному проведению геофизических исследований в большой степени способствовали научно-теоретические разработки сотрудников различных институтов (прежде всего НИГШИ, НИИГА, ЦНИИГАиК и др.): А.В.Иванова, А.М.Карасика, Ю.Г.Киселева, Г.И.Ноздрина, В.А.Литинского, А.Г.Пожарского, Б.Г.Попова, П.Н.Селиванова, О.Г.Щелованова, С.М.Щербакова и других. Вначале при проведении съемок со льда руководствовались Инструкцией по наземной гравитационной разведке Министерства геологии СССР, но она не учитывала условия работы на дрейфующем льду. В 1971г. на основе накопленного опыта и теоретических исследований ГУНиО МО [141—144 и др.] была издана Инструкция по гравиметрической съемке со льда [145].

За стойкость, мужество и достигнутые высокие результаты в ходе проведения первых арктических экспедиций ряд военных гидрографов, занимавшихся геофизическими исследованиями, были награждены орденами и медалями. Их напряженный труд, как и всех полярников, был сопряжен с постоянным риском для жизни не только во время первичных посадок самолетов на торосистый, с разводьями дрейфующий лед, но даже в короткие часы сна (как правило, не более 4-6 часов в сутки на протяжении двух-трех месяцев) в палатке, под которой в любую минуту внезапно могла образоваться ледовая трещина всепоглощающей океанской бездны.

Результаты изучения геофизических полей Земли в Северном Ледовитом океане оказались по сей день в сравнении с другими океанами наиболее достоверными и полными. Помимо общенаучного и военно-прикладного назначения они широко используются при создании различного рода геологических карт, а также при решении международно-правовых проблем обоснования внешних границ континентального шельфа России в Северном Ледовитом океане.

Особую страницу в истории геофизических исследований Военно-Морского Флота вписали гидрографы Северной гидрографической и Тихоокеанской океанографической экспедиций (ТОЭ) в дальних океанских походах на подводных лодках. Как было отмечено выше, для уточнения формы и размеров Земли требовалось проведение гравиметрических измерений на всей акватории Мирового океана. Если такие измерения с необходимой точностью и подробностью в Северном Ледовитом океане регулярно проводились с дрейфующего льда уже с 1962г., то для открытых удаленных районов Атлантического, Тихого и Индийского океанов требуемую точность гравиметрических измерений к тому времени можно было достичь только с помощью маятниковых наблюдений с подводных лодок.