ГЕОХИМИЯ, 2013, № 7, с. 636-642
ГЕОРАДАРНОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ ПРЕДПОЛАГАЕМОГО МЕСТА ПАДЕНИЯ ФРАГМЕНТА МЕТЕОРИТА ЧЕЛЯБИНСК В ОЗЕРО ЧЕБАРКУЛЬ
© 2013 г. В. В. Копейкин*, В. Д. Кузнецов*, П. А. Морозов*, А. В. Попов*, А. И. Беркут**,
С. В. Меркулов**, В. А. Алексеев***
*Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова (ИЗМИРАН)
142190 Москва, Троицк, Калужское ш., 4 e-mail: popov@izmiran.ru ** ООО "Компания ВНИИСМИ" 129090Москва, Олимпийский проспект, д. 16, стр. 1 ***Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) 142190 Москва, Троицк, ул. Пушковых, 9 Поступила в редакцию 20.03.2013 г. Принята к печати 23.03.2013 г.
Проведено георадарное зондирование дна озера Чебаркуль в районе падения крупного фрагмента метеорита Челябинск. Линейные профили и трехмерная реконструкция выявляют аномальное понижение рельефа дна и нарушение структуры ледового покрова, указывающие вероятное место залегания осколков метеорита.
Ключевые слова: метеорит Челябинск, озеро Чебаркуль, георадар. DOI: 10.7868/S001675251307011X
По свидетельству очевидцев один из крупных фрагментов метеорита Челябинск 15 февраля 2013 г. упал в западной части озера Чебаркуль, оставив во льду овальную полынью размером 6 х х 8 метров — рис. 1.
Попытки найти метеорит на дне озера в непосредственной близости от полыньи оказались безрезультатными, хотя ученые и местные жители извлекали из проруби с помощью магнита небольшие осколки со значительным содержанием железа. Глубина озера в районе падения метеорита порядка 10 метров, работу водолазов затрудняло наличие толстого слоя рыхлого ила, достигающего по их оценкам двух и более метров. Для уточнения вероятного местонахождения Чебар-кульского фрагмента, было проведено дистанционное зондирование дна озера с помощью георадара "Лоза", разработанного в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова (ИЗМИРАН) [1] и ООО "Компания ВНИИСМИ" [2].
Принцип действия георадара основан на излучении в подстилающую среду сверхширокополосных электромагнитных импульсов и регистрации их отражений от границ раздела слоев или локализованных объектов.
Отличительной особенностью приборов серии "Лоза", по сравнению с зарубежными и отечественными аналогами, является большой энергетический потенциал, позволяющий работать в средах с высокой проводимостью, например в суглинке или влажной глине. Зондирующий импульс генерируется высоковольтным газовым разрядником с пиковым напряжением 5—10 кВ и излучается рези-стивно-нагруженной дипольной антенной длиной от 0.5 до 6 метров. Аналогичная антенна используется в приемном устройстве — рис. 2. В зависимости от модели прибора и параметров среды глубина зондирования составляет от единиц до сотни метров. Исходя из условий георадарной съемки (глубина озера, толщина льда и снегового покрова) была выбрана модель "Лоза-Н" — рис. 3, обеспечивающая достаточную глубину зондирования и отсутствие мешающих резонансных эффектов.
За три дня полевых работ (12—14 марта 2013 г.) участники экспедиции ИЗМИРАН-ВНИИСМИ сняли 36 георадарных профилей длиной по 100— 120 м в районе падения метеорита. Сетка покрывает полынью и участок 100 х 100 м к западу от нее — рис. 4.
Зондирование, производимое с поверхности льда, позволило восстановить детальную картину
Рис. 1. Полынья, образовавшаяся при падении фрагмента метеорита Челябинск в озеро Чебаркуль.
Рис. 2. Конструкция георадара "Лоза-В": 1) приемник, 2) импульсный передатчик, 3) блок регистрации и дисплей, 4) передающая и приемная антенны длиной 0.5—1.5 метра, 5) рама.
рельефа дна и указать наиболее вероятное место залегания метеорита или его осколков. Кроме того, в районе падения были собраны пробы воды, льда и мелкодисперсная фракция осколков для
дальнейшего физико-химического анализа, подтвердившего свидетельства о метеоритном происхождении Чебаркульской полыньи. На фотографиях показаны распыленные частицы метео-
Рис. 3. Конструкция георадара "Лоза-Н": длина антенн увеличена до 3—6 метров.
Р408
Р406 Р310 Р404 I Р308 Р402 / I Р306
Р402 II , Р304
С
-Р301 ~Р303 Р307>305 Р40Г Р309 Р407 Р405 Р401
0 10 20 30 40 50м
_1_
_1_
_1_
_1_
J
Рис. 4. Трассы георадарного зондирования района падения метеорита в озеро Чебаркуль.
рита, собранные с верхней и нижней поверхности льда вокруг ледяной воронки — рис. 5а, а также более крупные осколки, извлеченные со дна озера с помощью магнита — рис. 5б.
Измерение магнитного момента миллиметровых осколков (рис. 6) дает значения, согласующиеся с известными характеристиками других фрагментов метеорита Челябинск.
/ШШШ^ШП^ИШ1Ш1Ш1)11|П1111Ш|[|11111М|.......11|111111|1||ии11Ш||1|1|.п|рг.....^|^^
(а)
Рис. 5. (а) микронная фракция осколков метеорита, собранных со льда озера Чебаркуль; (б) более крупные осколки,
извлеченные со дна озера в районе полыньи.
На рисунке 7 приведен пример представления первичных данных георадарного зондирования в программе "Крот-1301", разработанной ВНИИСМИ. На правой панели представлена волновая форма импульса, зарегистрированная приемником георадара в избранной точке профиля (A-scan по терминологии [3]). При прохождении трассы они складываются в вертикальные разрезы (B-scan), изображенные в двух левых панелях рисунка.
По горизонтали отложено расстояние в метрах, по вертикали — время прихода отраженного импульса в наносекундах (правая шкала) и расчетная глубина отражающей границы (левая шкала). Полосы в верхней части картины соответствуют прямому сигналу, распространяющемуся от передающей к приемной антенне с различными скоростями — по воздуху, в толще снега и в воде под слоем льда. Лежащие ниже широкие полосы соответствуют затянутым однополярным импульсам, отраженным на плавном переходе от ила к породам твердого дна. Такое поведение волновой формы принятого сигнала, характерное для низкочастотного георадара "Лоза-Н", обычно объясняется влиянием проводимости подповерхностной среды. Однако, как показало численное моделирование, в данном случае основное влияние оказывает не проводимость, а плавное изменение диэлектрической проницаемости, связанное с повышением содержания твердой фракции ила с глубиной.
Для интерпретации наблюдаемого характера отраженного сигнала было проведено моделирование вертикального распространения импульсного сигнала в глубь слоисто-неоднородной подповерхностной среды численным решением одномерного волнового уравнения [4]. Наилучшее соответствие достигается в модели среды, состоящей из однородного слоя воды (диэлектрическая проницаемость е0 = 81) и следующего за ним плавного перехода к твердому грунту с диэлектрической проницаемостью порядка е1 = 10—20 — левая панель рис. 8. Был также учтен плавный
-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Rotate, grad
Рис. 6. Магнитный момент трехмиллиметрового осколка Челябинского метеорита.
0.6 -
0.5 - {
0.4 - ¡¡
0.3 - 1 ¡
0.2 - ¡ J
0.1 г-
0 1 f i r
-0.1 i f - V
-0.2
Initial pulse Reflected pulse
100 200 Time, ns
300
400
Рис. 9. Сигнал, отраженный от градиента диэлектрической проницаемости, (сплошная линия) на фоне первичного зондирующего импульса.
604 C
602
601
0 10 20 30 40 50м ......
P603
Рис. 10. Георадарные профили Р601-604.
рост удельной проводимости среды от а0 = 0 до величин порядка = 0.001 См/м. Характерная длительность зондирующего импульса порядка 25 нс, что близко к реальной длительности импульса, излучаемого георадаром.
Пространственно-временная картина распространения импульса в подповерхностной среде представлена на основной панели рисунка. Видно постепенное увеличение скорости с глубиной и возникновение слабого обратного сигнала за счет частичных отражений на вертикальных градиентах диэлектрической проницаемости. Этот отраженный сигнал возвращается в приемную антенну, расположенную на поверхности, и реги-
стрируется чувствительным приемником георадара. Электрическое поле на поверхности г = 0 изображено в верхней панели рисунка. Чтобы сделать слабый отраженный сигнал заметным на фоне мощного первичного импульса, введено небольшое экспоненциальное усиление ехр(а/). Его волновая форма, показанная на рис. 9 в увеличенном масштабе на фоне первичного зондирующего импульса, имеет характер близкий к реально наблюдаемым волновым формам низкочастотного зондирования (без учета прямого распространения от передатчика к приемнику). При обработке первичных данных программным обеспечением пакета "Крот" характерные точки максимального изменения амплитуды отраженного сигнала интерпретируются как границы неоднородного переходного слоя между чистой водой и твердым грунтом.
При анализе георадарных разрезов, представленных на рис. 7, обращает на себя внимание утолщение и нарушение структуры ледяного покрова, а также резкое понижение рельефа дна на профиле Р602 в районе пересечения с профилем Р603 - рис. 10.
Мы интерпретируем эту аномалию как результат удара метеорита о дно озера. Подтверждением этой гипотезы служат наблюдательные факты. Траектория движения метеорита по наклонной траектории в северо-западном направлении с азимутом 280-290 градусов и малое количество выброшенного наверх льда наводят на мысль, что основная его масса была увлечена под воду к западу от полыньи и затем всплыла, нарушив структуру ледяного покрова над воронкой.
Исходя из этих соображений был проведен детальный анализ георадарных разрезов, представленных на рис. 4. Стандартная обработка ра-дарограмм с помощью частотных фильтров программного пакета "Крот" позволяет выделить характерные точки профиля (максимумы производной амплитуды отраженного сигнала) и связать их в радиообраз отражающих границ. Пример такой обработки, наглядно выявляющей рельеф дна и нарушение структуры ледового покрова, приведен на рис. 11.
Границы переходного слоя между чистой водой и твердым дном показаны оранжевой линией. Полынья, возникшая при падении метеорита на лед (уже замерзшая в период проведения измерений), отмечена черными маркерами на горизонтальной шкале в районе 110 м. Резкое понижение рельефа дна, которое мы интерпретируем как воронку, образовавш
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.