Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Сверхнизкочастотные электромагнитные сигналы литосферного происхождения

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Сверхнизкочастотные электромагнитные сигналы литосферного происхождения"

и ■ 1

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О.Ю. ШМИДТА

на правах рукописи УДК 550.344

ЛЕВШЕНКО Валерий Трифонович

СВЕРХНИЗКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИГНАЛЫ ЛИТОСФЕРНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

(Специальность 04.00.22 — геофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Объединенном Институте физики Земли им.О.Ю.Шмидта РАН.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор

Доктор технических наук, профессор

Доктор физико-математических наук

А.Е. Левитин (ИЗМИРАН) О.В. Руденко

(Физфак МГУ)

Л.Е. Собисевич (ОИФЗ РАН)

Ведущая организация: Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН.

Защита диссертации состоится " /.7 " ¿¡Рё?/^¿2"$7 1995 г. в " " часов на заседании Специализированного Совета Д.002.08.02 по присуждению ученой степени доктора наук при Объединенном Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН по адресу: 123810, Москва, Д-242, Б.Грузинская ул., 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института физики Земли РАН.

Автореферат разослан " /О " /у<2Я а/? Я 1995 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат физико-математических

наук

А.М. Артамонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию электромагнитных сигналов, источники, которых располагаются в земной коре (литосфере). Использованы экспериментальный и теоретический методы исследования, так как в совокупности эти методы, во-первых, дают более полное представление о предмете, а во-вторых (и это значительно важнее), именно в совокупности они наиболее убедительно доказывают существование таких сигналов, что даже в наши дни необоснованно подвергается сомнению.

Диапазон частот при экспериментальном изучении сигналов определяется характеристиками аппаратуры, и в данном случае он простирается от долей герца до нескольких герц, т. е. находится в центральной части полосы частот сейсмологических сигналов. Ряд основных положений диссертации относятся к значительно более широкому диапазону — практически они применимы во всем диапазоне частот сигналов, изучаемых в сейсмологии.

Актуальность проблемы.

Подавляющая часть энергии геоэлектромагнитного поля сосредоточена в так называемом главном магнитном поле, источники которого находятся в земном ядре. Еще в глубокой древности существовали те или иные представления о главном магнитном поле, и вот уже по крайней мере 400 лет оно является предметом научного исследования.

В интересующем нас диапазоне частот наиболее мощные и постоянно действующие источники электромагнитного поля располагаются над Землей — в ионосфере и в магнитосфере. Они возбуждают так называемые геомагнитные пульсации, которые интенсивно изучаются уже более ста лет.

Вошло в норму и стало традицией рассматривать земную кору при изучении геомагнитных пульсаций как некий пассивный элемент, и это оправдано во многих случаях, но не всегда. В частности, такое представление достаточно, если речь идет о сигналах, внеземное происхождение которых установлено со всей определенностью, однако ошибочно распространять его на все сигналы, как это иногда делается.

В действительности земная кора является электродинамически активной средой, способной возбуждать геоэлектромагнитное поле. Об этом свидетельствуют наблюдения и модельные оценки.

Тот факт, что амплитуда соответствующих сигналов относительно невелика, не может иметь принципиального значения, так как в сущности все геоэлектромагнитные сигналы для нас имеют в этом отношении не энергетический, а информационный смысл. Б перспективе изучение сигналов литосферного происхождения открывает для нас новый канал получения информации о физических процессах в земной коре. Это прежде всего и определяет актуальность выбранной темы исследования.

Кроме того, можно предположить, что в случае возбуждения геологической средой фоновых электромагнитных полей, такие поля должны быть чувствительны к неоднородностям в верхней части земной коры типа нефтяных месторождений, трубок взрыва, полиметаллических рудных тел и др. Следовательно существует реальная возможность получения новых поисковых критериев при разведке месторождений полезных ископаемых.

Одним из возможных источников возбуждения литосферных электромагнитных полей могут быть процессы перераспределения энергии в земных недрах, в частности процессы изменения напряженного состояния вещества в земной коре. Регистрируя на поверхности параметры литосферного электромагнитного поля, мы получаем возможность контролировать в реальном масштабе времени геодинамические процессы в зоне наблюдений, в том числе процессы подготовки землетрясений.

Все это определяет научную и практическую значимость исследований сверхнизкочастотных электромагнитных сигналов литосферного происхождения (ЛЭМС).

Цели работы

1. Экспериментально исследовать параметры электромагнитных сигналов, возбуждаемых в литосфере, условия проявления таких сигналов и их связь с изменением напряженного состояния вещества в земной коре.

2. Теоретически проанализировать возможные механизмы генерации электромагнитных сигналов литосферного происхождения, оценить характеристики возбуждаемого в среде в результате ме-ханоэлектрических преобразований электромагнитного сигнала, обобщить теоретические подходы к расчету параметров, возбуждаемых упругой волной или очагом землетрясения литосферных электромагнитных сигналов с целью вывода общего уравнения генерации.

3. Исследовать возможность использования результатов теоретического и экспериментального изучения литосферных электромагнитных сигналов как для мониторинга геодинамических процессов, так и для поисков месторождений полезных ископаемых.

В соответствии с перечисленными целями были сформулированы следующие задачи:

— разработать методику и сконструировать аппаратуру для исследования характеристик литосферных электромагнитных сигналов в полевых условиях;

— теоретически рассмотреть механизмы генерации электромагнитных литосферных сигналов при механических воздействиях на среду;

— в рамках простейших моделей оценить параметры электромагнитных сигналов, возбуждаемых при образовании магистрального разрыва в очаге землетрясения и при распространении упругих волн;

— провести экспериментальное исследование характеристик электромагнитных сигналов, возбуждаемых в геологической среде очагом землетрясения и сейсмической волной;

— экспериментально обосновать возможность использования наблюдений за аномалиями литосферных электромагнитных сигналов в качестве поисковых критериев при разведке месторождений полезных ископаемых;

— на основе проведенных исследований литосферных электромагнитных сигналов разработать комплекс методов для решения практических задач изучения структуры земной коры и геодинамических процессов.

Научная новизна

В работе впервые:

— путем экспериментальных и теоретических исследований однозначно установлен факт существования электромагнитных сигналов литосферного происхождения;

— выведено общее уравнение, описывающее генерацию электромагнитных сигналов при действии в земной коре динамических и квазистатических механизмов генерации в широком диапазоне частот — практически от тысячных долей герца до десятков герц. Определена связь коэффициентов уравнения генерации с известными параметрами механоэлектромагнитной трансформации;

— разработана методика и предложена техническая реализация аппаратурного комплекса для выделения электромагнитных сигналов литосферного происхождения на фоне интенсивных ионосферных помех;

— разработана теория и конструкция устройства, чувствительного как к сейсмическим, так и к электромагнитным полям с последующим их разделением, названное "сейсмомагнитный датчик". Использование этого прибора позволяет существенно повысить точность измерения ЛЭМС за счет исключения помех, связанных с сейсмическими и другими воздействиями, а также однозначно идентифицировать электромагнитные сигналы, возбужденные очагом землетрясения;

— в результате экспериментальных исследований, проведенных в сейсмоактивных районах Камчатки, Приморья, Средней Азии, США, Греции, а также в платформенных условиях Калужской и Архангельской областей, установлено существование спонтанных ЛЭМС, не связанных напрямую с проявлениями сейсмичности. Обнаружена корреляция суточных изменений интенсивности спонтанных ЛЭМС с приливными вариациями силы тяжести, что косвенно указывает на связь механизмов генерации спонтанных ЛЭМС с изменениями напряженного состояния вещества в земной коре;

— на примере кимберлитовых месторождений в Архангельской области показана возможность практического использования площадных наблюдений за аномальными характеристиками спонтанных ЛЭМС при разведке месторождений полезных ископаемых;

— в результате теоретических исследований установлено, что эффективность инерционного, индукционного, пьезомагнитного и других механизмов генерации вынужденных ЛЭМС зависит от частоты колебаний и от упругих и электромагнитных параметров среды. Определены критические частоты на которых преобладание одного механизма сменяется преобладанием другого, причем при характерных средних значениях параметров земной коры инерционный механизм генерации преобладает на частотах £>0.05 Гц;

— на основе теоретических исследований условий возбуждения сейсмоэлектромагнитного сигнала в горизонтально-неоднородной среде, а также путем анализа опережающих сейсмическую волну электромагнитных сигналов от землетрясений, показана возможность генерации ЛЭМС в зонах крупных разломов земной коры;

— путем теоретических расчетов получена оценка величины электромагнитного сигнала, возбуждаемого очагом землетрясения при различных типах механизмов генерации сигналов в рамках одномерной и двухмерной моделей очага. По этим оценкам, суммарный электромагнитный сигнал из очага землетрясения может быть измерен современной аппаратурой (в случаях сильных землетрясений) на расстояниях от десятков до сотен километров;

— на основе экспериментальных данных получена эмпирическая формула зависимости величины электромагнитного сигнала из очага землетрясения от магнитуды этого землетрясения и расстояния до точки наблюдения;

— на базе. полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований литосферных электромагнитных сигналов разработана автоматизированная система оповещения о разрушительном землетрясении, предназначенная для атомных электростанций и других автоматизированных производств.

Научная и практическая значимость работы

Разработаны основы теории генерации вынужденных литосферных электромагнитных сигналов, позволяющей проводить оценки и модельные построения электромагнитных полей, возникающих в результате сейсмического воздействия на геологическую среду. Новые экспериментальные данные по регистрации литосферных электромагнитных сигналов имеют прикладное значение при организации комплексных работ по контролю геодинамических процессов, а также при поиске месторождений полезных ископаемых. Методические и аппаратурные разработки используются в Министерстве атомной энергетики России, ПО "Архангельск-геология", на прогностическом полигоне Афинского университета в Греции, при комплексных исследованиях тектонических процессов в Университете штата Колорадо (США).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные данные по регистрации вынужденных и спонтанных электромагнитных сигналов литосферного происхождения, подтверждающие существование таких сигналов.

2. Совокупность результатов теоретических исследований, базирующихся на полученных экспериментальных данных, по анализу механизмов генерации литосферных электромагнитных сигналов и оценке возбуждаемого электромагнитного поля.

3. Экспериментальное подтверждение возможности использования наблюдений за аномалиями литосферных электромагнитных сигналов в качестве поискового критерия при разведке месторождений полезных ископаемых.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик электромагнитных сигналов, возбуждаемых в среде очагом землетрясения и распространяющейся сейсмической волной.

5. Методики и аппаратурный комплекс для регистрации литосферных электромагнитных сигналов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на XIX Генеральной ассамблее Европейской сейсмологической комиссии (Москва, 1984 г.), на заседании Ученого Совета ИФЗ АН СССР в 1990 г., на заседании научно-технического Совета ПО "Архангельскгеология" (г.Но-водвинск, 1991г.), на семинаре в Университете штата Колорадо (США, 1991г.), на экспертном совещании по проблемам безопасности АЭС в Минатоме России в 1992 г., на международном семинаре "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей" (Москва, 1993 г.), на семинаре по методике регистрации электромагнитных полей в Афинском университете (Греция, 1994 г.).

Личный вклад автора

Основные идеи и результаты диссертации изложены в 24 опубликованных работах, среди которых 5 изобретений, защищенных авторскими свидетельствами.

Автор осуществил постановку задачи, дал теоретическое и экспериментальное обоснование основных положений работы.

Все основные экспериментальные исследования по регистрации электромагнитных сигналов литосферного происхождения, а также обработка и интерпретация полученных результатов выполнены под руководством и при непосредственном участии автора работы.

Теоретические разработки осуществлялись на основе экспериментальных данных, полученных автором работы. Оценки и расчеты механизмов генерации выполнены совместно с A.B. Гульель-ми.

Автору принадлежит идея и конструкторская проработка сейсмомагнитного датчика, использованного для регистрации элек-

тромагнитных сигналов от землетрясений. Аппаратурные разработки, касающиеся измерительного тракта, градиентного метода регистрации ЛЭМС, а также экспериментальные исследования спонтанных литосферных электромагнитных сигналов на Камчатке и в Средней Азии проведены совместно с С.М. Крыловым. Обоснование принципов создания системы оперативного оповещения АЭС о землетрясениях выполнено совместно с М.Б. Гохбергом.

Объем и общая структура работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа содержит Z06 страницы машинописного текста, 5 таблиц, 55 иллюстраций.

Автор считает приятным долгом выразить глубокую благодарность академику РАН В.А. Магницкому, академику РАН В.Н. Страхову, академику РАЕН М.Б. Гохбергу, профессору A.B. Гу-льельми, д.ф.м.н. А.О. Глико за помощь при проведении работы, постоянную поддержку и внимание.

Самую искреннюю благодарность автор приносит к.ф.м.н. С.М. Крылову, чья помощь и сотрудничество сыграли значительную роль при выполнении работы.

Автор высоко ценит консультации и критические замечания члена-корреспондента РАН Г.А. Соболева, профессора Ю.П. Ско-вородкина, профессора Д.Н. Четаева, кф.м.н. О.М. Барсукова, к.ф.м.н. Л.С. Безуглой, к.ф.м.н. H.H. Никифоровой, к.ф.м.н. C.B. Ша-манина.

Автор искренне благодарит коллективы Новодвинской комплексной геофизической экспедиции (начальник к.г.м.н. М.Г. Гу-байдуллин), 3-й партии ОМЭ ИФЗ на Северном Кавказе (начальник партии В.В. Антонов), Гармского геофизического полигона ИФЗ в Таджикистане (начальник полигона к.ф.м.н. А.Я. Сидо-рин), ОМСП Института вулканологии ДВНЦ РАН (начальник партии к.ф.м.н. Е.И. Гордеев) за помощь в организации и проведении экспериментальных исследований.

Данная работа была поддержана грантом NFA ООО Международного научного фонда (фонд Сороса) и грантом NFA 300, присужденным совместно Международным научным фондом и Российским фондом фундаментальных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении диссертации показана актуальность проблемы, сформулированы цели работы, ее научная новизна, приводится информация о практической реализации результатов исследования.

Глава 1 "Теоретические и экспериментальные предпосылки для поиска электромагнитных сигналов литосферного происхождения" начинается с аналитического обзора литературных данных наблюдений электромагнитных полей литосферного происхождения. Резюме этого обзора заключается в следующем.

Проблема изучения электромагнитных сигналов литосферного происхождения и их место в структуре электромагнитного поля Земли привлекает внимание как отечественных, так и зарубежных исследователей. Этот интерес вытекает из новых возможностей, которые могут быть реализованы с помощью ЛЭМС при решении задачи поиска краткосрочных предвестников землетрясений, изучения внутреннего строения Земли, поиска месторождений полезных ископаемых, а также изучения физико-химических процессов в земной коре и мантии. Качественная связь тектонической активности с возмущениями электромагнитного поля обнаружена достаточно давно. В частности, описаны многие случаи скачкообразных локальных изменений магнитного поля до и после землетрясений.' Однако опубликованных экспериментальных данных по наблюдениям электромагнитных аномалий, возбуждаемых непосредственно очагом землетрясения недостаточно для получения каких-либо статистических данных по этим сигналам. Дело в том, что электромагнитный сигнал из очага по длительности не превышает нескольких минут даже для сильных землетрясений. Существовавшая же до последнего времени сеть магнитометрических станций, предназначенная специально для поиска аномалий в геомагнитном поле, связанных с землетрясениями, как правило, позволяла получить либо мгновенные, либо усредненные значения поля с частотой измерения в лучшем случае один раз в десять минут. В связи с этим по имеющимся данным можно лишь констатировать факт изменения магнитного поля до и (или) после землетрясения, но нет возможности представить временную и частотную характеристики этого явления, а также нельзя определить достаточно точно связь указанных изменений с временем образования магистрального разрыва в очаге землетрясения. Приводятся данные, что амплитуды электромагнитных сигналов вблизи эпицентра

землетрясения с глубиной порядка 30 км в зависимости от магниту ды находятся в интервале 1-10 нТл. Следовательно, если считать затухание сигнала в горизонтальном направлении пропорциональным кубу расстояния от источника, то можно определить, что аппаратурой с чувствительностью Ю-3 нТл, такие сигналы могут быть зарегистрированы на удалениях до нескольких сотен километров от очага землетрясения (естественно, в идеальном случае отсутствия помех ионосферного, грозового и другого происхождения). Это указывает на реальность регистрации интересующих нас сигналов при наличии необходимой аппаратуры и методик.

Итак, анализ литературных источников свидетельствует о том, что многие авторы приводят достаточно убедительные свидетельства в пользу гипотезы о существовании проявлений сейсмо-электромагнитной активности. В то же время некоторые ученые неоднократно высказывали критические суждения не только по вопросу о конкретных свойствах наблюдаемых сигналов, но и относительно самого факта связи этих сигналов с землетрясениями. И хотя основу для сомнений может дать некоторая неопределенность наших представлений о физических механизмах генерации ЛЭМС, мы полагаем, что в целом изучение сейсмоэлектромагнитных явлений имеет достаточно прочную экспериментальную и теоретическую базу.

Наблюдения свидетельствуют о том, что генерация электромагнитных импульсов в земной коре может происходить как спонтанно, т.е. вне прямой связи с проявлениями сейсмичности, так и вынужденно, вследствие движения горных пород при сейсмическом воздействии. Обобщение наблюдений такого рода с учетом теоретических представлений о механизме генерации привело к схеме классификации электромагнитных сигналов литосферного происхождения, изображенной на рис. 1. Поскольку теоретические подходы к анализу спонтанных ЛЭМС в настоящее время не известны, в диссертации указаны лишь качественные стороны наблюдаемого явления. Напротив, путь изучения вынужденных ЛЭМС в целом ясен. Они разделены нами на три вида в зависимости от того, приходят ли сигналы в пункт наблюдения из очага землетрясения, с фронта сейсмической волны, или возбуждаются сейсмической волной, достигшей пункта наблюдений. Каждый из трех видов вынужденных ЛЭМС может возбуждаться в результате действия деформационного, индукционного или инерционного механизмов генерации (II, V, на рис. 1). Следует пояснить, что механизмы генерации ЛЭМС подразделяются в зависимости от того,

лэмс

Рис. 1. Классификация электромагнитных сигналов литосферного происхождения

какой тип движения элемента земной коры ответственен за генерацию. Пусть и — вектор перемещения, У-сШ/сК — скорость деформации, Ш-с^/сЙ — ускорение. Механизмы генерации, действующие за счет и, V, названы деформационным, индукционным или инерционным соответственно. Деформационным, например, является пьезомагнитный механизм. К этому же классу следует отнести электрокинетический механизм, если ограничиться потенциальным приближением. Индукционный механизм действует за счет движения горных пород в главном магнитном поле Земли. Наконец, действие инерционного механизма связано со сдвиговым течением флюида относительно скелета горной породы. Все эти механизмы генерации дополнительно разделяются на две категории — динамические, не имеющие статического предела, и квазистатические механизмы. (Индукционный и инерционный относятся к первой категории.) Для сравнительного анализа эффективности различных механизмов трансформации сейсмической энергии в энергию магнитных сигналов необходимо иметь ■ общее уравнение генерации, включающее в себя все описываемые механизмы трансформации. Это уравнение выведено нами на базе уравнений Максвелла с привлечением дополнительной информации о механоэлектромагнитных преобразованиях.

Уравнение имеет вид

8 (В-Ю) / д1 = ссУ2В+Р (1)

и единообразно описывает возбуждение магнитного поля в результате действия квазистатических (Г) и динамических (С) источников в земной коре. Здесь а=с2/47са, с — скорость света; а — электропроводность горных пород. Остальные обозначения

& = + С2, Р = Р! + Р2 в! = рП; С2 = V х (В0 х и)

Рх = 4лаУ х (V х М), Р2 = суУ х (9Е0), (2)

XV, М1 = (Х-1Ркк§ 1 з + ^2Р 1 ])Вор

где Р, у, А.1, Я-2 — феноменологические параметры, описывающие упругоэлектромагнитные свойства среды, п(хД) — поле смещений (предполагается известным); V — ди/дЬ — скорость; в = и^ — объемная деформация; и^ — тензор деформации; ру — тензор напряжений; Е0 и В0 — внешние электрические и магнитные поля.

и вг описывают инерционный и индукционный эффекты соответственно. Р2 описывает модуляцию земных токов при деформации среды под действием сейсмических колебаний, Р] — пьезомагнитный эффект.

Среда предполагается однородной и характеризуется пятью параметрами. Один из них (ст) описывает диссипативные свойства среды, остальные — активные. Параметр Р можно выразить через плотность поровой жидкости рш и электрокинетический коэффициент К:

Р=сршК.

Безразмерный параметр у=(с!1пс)/с19 характеризует изменение электропроводности при сжатии горной породы. Обычно он составляет несколько единиц [Добровольский, 1991], но может стать аномально большим на пороге протекания. Пьезомагнитные коэффициенты Л2 следующим образом связаны с известными параметрами Р)[ и Р2 [2ШпгсЫ eí а!., 1981]:

Х.1=хРь >-=2/Р2,

где х — магнитная восприимчивость.

Параметры у, а, Р! и р2 обычно получают путем лабораторных измерений.

Если задано векторное поле и(х, I) в соответствии с тем или иным представлением о динамике очага землетрясения или о пространственно-временной структуре сейсмической волны вдали от очага, то можно найти решение В(х,1) уравнения (1) при нулевом начальном условии и подходящим образом заданных граничных условиях. Отыскав магнитное поле, можно затем найти электрическое поле из уравнения индукции. В силу линейности общего уравнения генерации можно изучать различные механизмы независимо друг от друга, а результаты затем суммировать.

Таким образом, в первой главе представлен обзор и анализ литературных данных по измерениям электромагнитных полей ли-тосферного происхождения. Проведена классификация этих полей, и выделено два генетических типа: вынужденные электромагнитные сигналы, возбуждаемые очагом землетрясения и распространяющейся упругой волной, и спонтанные электромагнитные сигналы, не связанные напрямую с проявлением сейсмичности. Рассмотрены механизмы генерации вынужденных электромагнитных сигналов и выведено общее уравнение генерации таких сигналов.

Глава 2 "Измерительный комплекс для изучения параметров электромагнитных сигналов литосферного происхождения". Известные в настоящее время методы регистрации электромагнитных вариаций и соответствующая измерительная аппаратура предназначены для изучения магнитосферных и атмосферных электромагнитных сигналов, которые для целей нашего исследования представляют собой помеху. Поэтому первая задача, от решения которой полностью зависел успех исследований ЛЭМС, состояла в создании специального измерительного комплекса, обеспечивающего однозначное выделение сигналов литосферного происхождения на фоне интенсивных ионосферных помех. Решение этой задачи проводилось как путем усовершенствования существующей аппаратуры, так и разработкой принципиально новых методов и инструментальных средств. По предварительным данным интенсивность ЛЭМС находится в пределах интенсивности естественного электромагнитного фона. Это и определяет параметры аппаратуры, которая должна обеспечивать уверенный точный прием электромагнитных сигналов естественного происхождения, т.е. обладать малыми шумами, широкой полосой частот, строго контролируемыми АЧХ и ФЧХ, высокой линейностью, помехоустойчивостью и надежностью. Слабый сигнал на фоне сильного можно обнаружить только с помощью совершенных методов обработки, и это предполагает сверхмалые ошибки при трансформации сигнала датчиком в соответствующее выходное напряжение, а также большие объемы обрабатываемой информации. Оптимально соответствует таким требованиям разработанный аппаратурный комплекс, включающий в себя высокочувствительные сейсмомаг-нитные датчики и цифровую автоматизированную систему сбора и обработки геофизической информации в реальном масштабе времени.

Методика выделения электромагнитных полей литосферного происхождения на фоне интенсивных ионосферных помех основана на использовании свойства однородности поля геомагнитных пульсаций и грозовых разрядов по площади. Известно, что геомагнитные пульсации представляют собой достаточно однородные магнитные поля, поверхностный градиент которых не превышает нескольких единиц пикотесла на один километр. Низкочастотные компоненты спектра грозовых разрядов представляют собой плоские неоднородные вертикально поляризованные электромагнитные волны, генерируемые молниевыми разрядами. Эти волны рас-

пространяются в сферическом волноводе, ограниченном землей и ионосферой, с малым затуханием, не превышающим единицы децибел на тысячу километров. Скорость распространения близка к скорости света, так что появление заметной амплитудной и фазовой разницы на расстояниях в несколько километров практически полностью исключено. Таким образом, для сигнала, который мы считаем помехой, характерна высокая однородность магнитной компоненты поля по площади. В то же время естественно ожидать, что локальные источники электромагнитного поля литосферного происхождения генерируют сигналы с повышенным поверхностным градиентом. Это означает, что производная от поля по любой из горизонтальных компонент для ЛЭМС должна быть больше, чем для сигналов. геомагнитного или грозового происхождения. Наряду с описанным выше градиентным методом измерения ЛЭМС разработан альтернативный метод регистрации сигналов от локальных источников, расположенных в геологической среде. Он заключается в нейтрализации (компенсации) для некоторой ограниченной области в окрестности измерительного комплекса помех геомагнитного и грозового происхождения с последующей регистрацией электромагнитных сигналов от локальных источников в литосфере. Нейтрализация осуществляется путем стабилизации магнитного потока в районе измерительных датчиков объемным током пропорциональным интенсивности однородных магнитных полей. Следующий метод выделения электромагнитных полей, возбуждаемых локальными источниками в литосфере, также использует свойство неоднородности поля по площади, а следовательно, существование областей сгущения и разрежения силовых линий поля. Эти области окружены циркулярными объемными токами, для которых rot E?tO в отличие от потенциальных полей для которых rot Е=0. Таким образом, отличие от нуля циркуляции вектора электрического поля, обусловленного объемными токами, является одним их признаков полей, источником которых является геологическая среда. Итак, для выделения ЛЭМС использовались три независимых методики: усовершенствованный градиентный метод, метод нейтрализации однородных полей с одновременной регистрацией полей локальных источников и метод измерения циркуляции вектора естественного электрического поля в качестве индикатора литосфер-ных электромагнитных полей.

Для реализации указанных методов разработана и изготовлена не имеющая аналогов аппаратура. В градиентном методе в качестве датчиков поля используются индукционные магнитомет-

ры, являющиеся в настоящее время одним из наиболее чувствительных приборов для регистрации переменных низкочастотных магнитных полей. Однако при высокочувствительных измерениях (амплитуды поля порядка 10"3 нТл) эти датчики чувствительны к крутильным и другим сейсмическим колебаниям, что существенно снижает точность измерений и затрудняет их использование для решения задачи поиска ЛЭМС. Этого недостатка лишен разработанный сейсмомагнитный датчик, обладающий такой же чувствительностью по полю, как и индукционный магнитометр с возможностью разделения компонент сейсмического и электромагнитного волновых полей. Такой датчик создан впервые, он включает в себя два идентичных чувствительных элемента, выполненных на базе многовитковых катушек с разомкнутыми сердечниками из пермаллоя НМ-79, причем один из элементов жестко скреплен с корпусом прибора, а другой ориентирован в том же направлении, что и первый и подвешен за центр тяжести на упругой нити. Аналоговая обработка сигналов и их разделение на сейсмические и электромагнитные производятся в электронном блоке, размещенном на корпусе установки.

Для измерения площадных характеристик распределения неоднородных электромагнитных литосферных полей и мониторинга их изменений во времени разработана установка, принцип действия которой основан на измерении интегрального эффекта изменения магнитного потока из литосферы в определенной области земной поверхности. Устройство представляет собой многовитко-вый контур сложной конфигурации, в котором результирующая ЭДС зависит только от изменений магнитного потока литосферного происхождения.

Измерительный цифровой комплекс для изучения параметров электромагнитных сигналов литосферного происхождения выполнен на база ЭВМ IBM РС-386/387 с большим объемом памяти. Аналогово-цифровой преобразователь выполнен в виде отдельной платы и размещен непосредственно в системном блоке ЭВМ. Комплекс представляет собой программно-аппаратную систему технических средств и программ ПЭВМ IBM, наделен средствами визуализации и современным пользовательским интерфейсом. По своим техническим данным (чувствительность на уровне 1 пТл в диапазоне частот 0.1-5 Гц, работа в автоматическом режиме с обработкой и выделением полезного сигнала в реальном масштабе времени на фоне интенсивных помех, возможность работы в непрерывном и пороговом режимах) разработанная система превос-

ходит известные магнитовариационные станции, протонные и квантовые магнитометры.

Глава 3 "Экспериментальные исследования спонтанных электромагнитных сигналов литосферного происхождения". Согласно классификации (гл. 1), основанной на обобщении наблюдательных данных и теоретических представлений, существуют ЛЭМС, возбуждение которых напрямую не связано с проявлениями сейсмичности. Такие сигналы названы спонтанными, в отличие от вынужденных ЛЭМС, связанных с механическими движениями земной коры при распространении сейсмических волн, при вспарывании разлома очага землетрясения и т.п. Спонтанные сигналы представляют самостоятельный интерес с точки зрения физики земной коры, а также как возможная фоновая помеха при регистрации вынужденных сигналов. Разработанный аппаратурный комплекс и предложенные методики (гл. 2) позволили провести в 1988 г. на полуострове Камчатка, в районе действующего вулкана Толбачик на сейсмической станции "Козыревск" первые наблюдения за фоновыми вариациями ЛЭМС. Использовалась градиентная установка с двумя парами датчиков на базе один километр. В одной паре датчики были ориентированы по геомагнитному вектору, т.е. в данном случае под углом около 45° к горизонту (Т-компо-нента), два других датчика были установлены горизонтально в направлении' запад-восток (Б-компонента). Измерения проводились с погрешностью 10~3 пТл, в диапазоне частот 0.1-5 Гц. На первом этапе исследований было установлено, что геомагнитные пульсации и низкочастотные компоненты грозовых разрядов действительно сохраняют высокую степень однородности по площади и практически полностью подавляются блоком вычитания аппаратуры. Однако не все сигналы с разностных каналов были подавлены — наблюдался остаток, не коррелирующийся ни с атмосферной, ни с грозовой активностью (рис. 2). Тщательный анализ накопленных имеющихся данных показал, что эти сигналы генерируются геологической средой. Они имеют следующие особенности:

1. Поляризация сигнала АТ по вектору геомагнитного поля; на Б-компоненте сигнал почти не отмечается даже во время его сильных проявлений на Т-компоненте.

2. Широкий спектр, занимающий практически всю полосу регистрации. Амплитуда импульсов в среднем 20-30 пТл, иногда достигает 0.2 нТл.

ст. Козыреве* 2.09.88

Рис. 2. Пример выделения сверхнизкочастотного ЛЭМС геологической среды

Ть Т2 — сигналы с разнесенных датчиков, представляющие собой сумму ЛЭМС и низкочастотных вариаций; ДТ — разность сигналов с разнесенных датчиков, обусловленная литосферным сигналом с повышенным поверхностным градиентом

нТл. ю 40

30

20

. +10 /

^^х0 1

К Дч

\

ДТ / —

Дq мхГал

-+100

-100

ЬТ, ч

18 20 22 0 2 4 6 16.09.88 | 17.09.88

10 12 14 16 18

Рис. 3. Пример графиков суточных вариаций Б-компоненты геомагнитного поля, гравитационного поля (Ая) и низкочастотного электромагнитного сигнала литосферного происхождения (ЛТ)

3. Наличие повторяющегося суточного хода изменения интенсивности сигнала.

4. Корреляция с приливными вариациями силы тяжести (рис. 3).

В 1989 г. аналогичные измерения были проведены в Средней Азии (Таджикистан) на Гармском геофизическом полигоне. Характеристики зарегистрированных ЛЭМС были сходны с теми, что были получены по данным наблюдения на Камчатке. Изменение интенсивности grad Т и rot Е, зарегистрированные с помощью установки нейтрализации магнитного поля, были практически одинаковыми, что указывало на наличие одного и того же локального магнитного источника, возбуждающего эти поля. Таким образом, путем независимых измерений было подтверждено существование локальных электромагнитных полей литосферного происхождения. В дальнейшем изучение характеристик спонтанных ЛЭМС в сейсмоактивных областях проводилось в 1990 г. в Приморье, в 1991 г. в США в предгорьях Скалистых гор, в 1992 г. на Северном Кавказе, в 1994 г. в Греции. Были также проведены исследования в платформенных районах с низкой сейсмической активностью: в 1991 г. в Архангельской области, в 1993 г. в Калужской области. Выяснилось, что сигналы здесь тоже существуют, однако изменение их интенсивности во времени незначительны. Амплитуда сигнала изменяется в течение суток в пределах 6-8 пТл. Это подтвердило наше предположение о формировании спонтанных ЛЭМС преимущественно в тектонически активных районах или зонах тектонических нарушений. Корреляция суточных изменений интенсивности спонтанных ЛЭМС с приливными вариациями силы тяжести, обнаруженная при наблюдениях в сейсмоактивных районах (рис. 4), указывает на связь механизмов генерации спонтанных ЛЭМС с изменениями напряженного состояния вещества в земной коре.

Вопрос влияния на параметры ЛЭМС локальных неоднород-ностей в земной коре изучался на примере кимберлитовых месторождений в Архангельской области. Эти месторождения представляют собой трубки взрыва, образовавшиеся в результате прорыва газами вмещающих горизонтально-слоистых пород, заполненных алмазоносной брекчией-кимберлитами. По нашим представлениям, таким вертикальным неоднородностям должны соответствовать определенные особенности параметров спонтанных ЛЭМС, регистрируемых в районах трубок. В случае обнаружения таких специфических особенностей сигнала, они могли бы служить в ка-

Дq, мкгал

108

-48

56

4

90 пТ.л

30

60

-100-1 о

3 ' 4 5 ' 6 ' 7 ' 8 ' 9 ' 10 ' 11 ' 12 апрель 1991 г.

Рис. 4. График изменения интенсивности ЛЭМП (сплошная линия) и приливных вариаций силы тяжести Дq (штриховая линия) во времени за период наблюдений 3—15 апреля 1991 г., Боулдер,

честве критерия распознавания при поиске кимберлитовых месторождений. Работа проводилась в 1991 г. на разведанных алмазоносных кимберлитовых трубках им. М.В.Ломоносова и Поморская, приуроченных к зонам крупных разломов в фундаменте. Кимбер-литовые тела отличаются от вмещающих пород повышенной магнитной восприимчивостью, пониженным удельным сопротивлением, подъемом минерализованных вод вдоль тела трубки.

В результате проведенных площадных наблюдений был обнаружен аномальный квазипериодический сигнал постоянной частоты, с амплитудой, изменяющейся во времени от 0 до 0.03 нТл, поляризованный по направлению геомагнитного вектора. Зоны максимального проявления аномального сигнала в поперечнике достигают 300-400 м и приурочены к западным границам трубок им. М.В.Ломоносова и Поморская. При этом максимальное значение амплитуды аномального сигнала на трубке им. М.В.Ломоносова в 2-3 раза превосходит амплитуды сигнала на трубке Поморская, что, по-видимому, связано с разными поперечными размерами трубок и литологическим составом трубочных образований. Сопоставление параметров аномального сигнала с геологическими осо-

США

бенностями района исследования позволяют сделать вывод о том, что зона генерации сигнала расположена на глубине 0.5—2 км и приурочена к области подводного канала трубки, связанного с суб-меридианальной зоной разлома фундамента мантийного заложения. Также выявлена корреляция интенсивности аномального квазигармонического сигнала ЛЭМС, приуроченного к кимберлитовым трубкам, с вариациями силы тяжести, обусловленными приливными силами.

Механизмы генерации спонтанных ЛЭМС в верхнем слое земной коры исследованы в настоящее время лишь на качественном уровне. Один из возможных механизмов генерации — движение электропроводящих флюидов в зонах нарушений (электрокинетический эффект). Оценки показывают, что изменения (или колебания) скорости движения флюидов в постоянном магнитном поле Земли могут обеспечить наблюденные вариации индуцированного магнитного поля. Другой механизм гипотетически связывается с воздействием вариаций напряженного состояния среды на доменную структуру зерен магнитных минералов. Третья группа явлений, возможно также ответственных за генерацию спонтанных ЛЭМС, связана с резонансными свойствами неоднородностей в земной коре. Речь идет о частотной трансформации и переизлучении волновых полей распределенными резонансными структурами, способными накапливать энергию и переизлучать ее в окружающее пространство.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований, проведенных в сейсмоактивных районах Камчатки, Приморья, Средней Азии, США, Греции, а также платформенных районах Калужской и Архангельской областей впервые установлено существование спонтанных ЛЭМС, не связанных напрямую с проявлением сейсмичности. Обнаружена корреляция суточных изменений интенсивности спонтанных ЛЭМС с приливными вариациями силы тяжести, что указывает на связь механизмов генерации спонтанных ЛЭМС с изменениями напряженного состояния вещества в земной коре и, следовательно, открывает реальную возможность контроля тектонической активности среды по наблюдениям за характеристиками спонтанных ЛЭМС. На примере кимберлитовых месторождений в Архангельской области показана возможность практического использования площадных наблюдений за аномалиями характеристик спонтанных ЛЭМС в качестве нового поискового критерия при разведке месторождений полезных ископаемых (нефть, полиметаллические руды и др.).

Глава 4 "Генерация электромагнитных сигналов геологической средой при прохождении сейсмической волны". Как же

отмечалось, в отличие от спонтанных ЛЭМС, для вынужденных ЛЭМС имеется возможность проводить теоретические оценки их характеристик в рамках достаточно простых моделей. Рассмотрим случай генерации ЛЭМС средой при прохождении сейсмической волны, возбужденной землетрясением. Выведенное в гл. 1 общее уравнение генерации вынужденных литосферных электромагнитные. сигналов дает возможность в рамках конкретной модели производить анализ эффективности различных механизмов трансформации сейсмической энергии в энергию магнитных сигналов. Кроме того, можно оценить относительный вклад каждого механизма генерации в суммарный электромагнитный сигнал в зависимости от частоты сейсмической волны и от механоэлектромагнит-ных свойств среды. Такое исследование проведено в рамках моделей плоских монохроматических волн для поперечных и продольных упругих волн, распространяющихся в однородной безграничной упругой среде.

Вынужденное решение уравнения (1) записывается в виде

В=(Р + ;соО)/(ак2 - (со), (3)

где к=со/с4(]); со — частота волны; с,^ — скорость поперечной (продольной) упругой волны. В случае поперечной волны 9=0 и согласно (2) Р2=0. Нам осталось сравнить между собой Рь 1юСь 1СоС2. Пусть волна распространяется вдоль оси х и поляризована по оси у. Тогда

Сх=(0, 0, 02=(0, 0), Е!=(0, Рь0),

С1=ш2срУ1Г Ки/с(; С2=-(ооВ0хи/с4;

р! =21о)3с2рхР2В0хи / ос4

Отсюда видно, что существует критическая частота

со,=В0х/срто К, (4)

выше которой преобладает инерционный механизм, а ниже — индукционный. Если р№=1 г/см, В(1х=0.3 Гс, К=1СГ8 В/Па, то /=0.6 Гц.

Существует еще одна критическая частота

ю2=ст / 2с2руР2,

где р — плотность среды. При со«й2 индукционный механизм эффективнее пьезомагнитного, а при обратном неравенстве — наоборот. Если р=2.7 г/см3, а=0.1 См/м, х=5хЮ~3, Р2=Ю-9 Па, то /=0.06 Гц.

Наконец, безразмерный критический параметр

равен отношению амплитуды инерционного сигнала к амплитуде пьезомагнитного. При указанных выше значениях электромеханических параметров величина 5 близка к единице, но разброс 5, вообще говоря, весьма значителен. Так, если К=10~8...10~6 В/Па, Р2=Ю-10...1СГ5 Па-1, то 8=0.006 +60.

При распространении продольной сейсмической волны 0=0 и, соответственно С1=0. Остается сравнить между собой источники [юС21 Г^ Г2. Анализ проведен аналогично случаю поперечной волны.

Результаты этого исследования были использованы для интерпретации данных, полученных Ф. Элеманом в 1964 г. при регистрации электромагнитного сигнала, возбужденного проходящей сейсмической волной от землетрясения на Аляске 28.03.1964 г. с магнитудой 8.6. Сигнал был зарегистрирован гелиевым магнитометром, установленным в Колорадо. Магнитные колебания начались в момент прихода поверхностной волны. Характерный период Т=20 с, амплитуда В=0.2 нТл. До сих пор не удавалось найти подход к пониманию механизма генерации сигнала. Проведенные нами расчеты показали, что наилучшее соответствие с экспериментальными данными дает комбинированное действие инерционного и индукционного механизмов генерации сигнала поверхностной упругой волной.

Проведенные автором в 1986 г. наблюдения в Колорадо (США) по регистрации электромагнитных сигналов от землетрясений с помощью сейсмомагнитного датчика позволили зарегистрировать три относительно сильных землетрясения, происшедших 7 и 9 мая в районе Алеутских островов (магнитуды: 6.5, 6.0, 5.4). Разброс эпицентров этих землетрясений находился в пределах погрешности определения (40 км), т.е. события произошли практи-

5=стртоК72срхВоР2

(6)

чески в одном и том же месте. От всех трех землетрясений был зарегистрирован оперел-сающий сейсмическую волну электромагнитный сигнал. Времена прихода в пункт регистрации электромагнитных сигналов для всех трех землетрясений совпадали, при этом электромагнитный сигнал пришел с запаздыванием относительно времени в очаге землетрясения. Это дало основание предположить, что источником сигнала является не очаг землетрясения, а геологические структуры на пути распространения сейсмической волны. Проведенные оценки показали, что это могли быть зоны крупных активных глубинных разломов в земной коре. Предположительно, генерация сигналов связана с электрокинетическим эффектом. Подтверждение этого предположения было получено путем теоретического анализа возможности генерации ЛЭМС тектоническим разломом при прохождении упругой волны. Анализ проводился на основе использования общего уравнения генерации (1) в рамках упрощенной модели в предположении, что неоднородно распределены лишь электродинамические параметры. При этом колебания верхнего участка разлома, дающего основной вклад в формирование амплитуды ЛЭМС, предполагались синфазными. Количественная оценка величины сигнала, полученная в рамках данной модели, свидетельствует об эффективности такого механизма возбуждения ЛЭМС.

Таким образом, проведенное теоретическое исследование установило, что относительная эффективность инерционного, индукционного, пьезомагнитного и других механизмов генерации ЛЭМС зависит от частоты колебаний, набора упругих и электромагнитных параметров среды. Существуют критические частоты, на которых преобладание одного механизма сменяется преобладанием другого. Так, инерционный механизм генерации ЛЭМС преобладает над другими на частотах £>0.05 Гц при характерных средних значениях параметров земной коры.

Анализ опережающих сейсмическую волну электромагнитных сигналов от землетрясений показал возможность генерации ЛЭМС за счет электрокинетического эффекта, т.е. эффекта движения флюидов в магнитном поле Земли при прохождении сейсмических волн через зону крупных разломов в земной коре. Выполненные теоретические исследования условий возбуждения сейсмо-электромагнитного сигнала в горизонтально-неоднородной среде при распространении упругой волны подтвердили гипотезу о генерации ЛЭМС зонами разломов при прохождении через них сейсмических волн.

Глава 5 "Исследование электромагнитных сигналов, возбуждаемых очагом землетрясения". В соответствии с приведенной в гл. 1 классификацией рассмотрим электромагнитные сигналы, образующиеся в результате движения горных пород в очаге землетрясения в момент образования магистрального разрыва. Можно ожидать, что это будет довольно мощный электромагнитный сигнал, который удастся зарегистрировать на земной поверхности. На начальном этапе было проведено теоретическое исследование этого вопроса. В изучаемой модели земная кора рассматривалась как однородное полупространство. В качестве модели источника использован эквивалентный магнитный диполь. В рамках такой модели проведена оценка величины электромагнитных сигналов, возбуждаемых очагом землетрясения при действии различных механизмов генерации (пьезомагнитного, индукционного и др.). Установлено, что в зависимости от типа механизма генерации, величины возбуждаемых электромагнитных сигналов могут различаться в несколько раз, однако суммарный сигнал может быть измерен современной аппаратурой на расстояниях от десятков до сотен километров. Рассмотрим в качестве примера расчет в рамках одномерной модели электромагнитного импульса, возбуждающегося в очаге при действии инерционного механизма генерации.

Согласно Г.А.Соболеву [1993], можно в каком-то приближении считать разрыв плоским, а механическое движение сдвиговым. Был рассмотрен разрыв, который возникает в однородной безграничной среде в момент 1=0 одновременно вдоль всей плоскости х=0, причем борта разрыва движутся вдоль оси у с одинаковыми по величине, но противоположно направленными ускорениями. Найдено решение уравнения (1)

В(х,1)=№т/^ Т5)]Ф(Х/8, 1/Т), (7)

где игп — амплитуда смещения бортов, Т — характерное время движения, 6=(аТ)1^2 имеет смысл скин-толщины. Используя непол--ную гамма-функцию, через которую выражается Ф при х=0, находим магнитный момент ц единицы поверхности разрыва

ц=Рит/2яТ. (8)

Получилась конечная величина поверхностной плотности магнитного момента, возникающего при ускорении бортов в момент образования разрыва.

Теперь, используя (8), можно гипотетически оценить максимальное магнитное поле Вт, разделив ц на толщину переходной зоны между бортами разлома. В качестве оценки этой толщины возьмем характерный размер Ь неровностей поверхности разлома. Согласно [Соболев, 1993], имеет место эмпирическое соотношение

Ь=КЬ,

где Ь — длина разлома, причем параметр К находится в пределах 1(Г4...1(Г2. Тогда

Вт*рит/27гТКЬ.

Известны феноменологические соотношения, связывающие ит, Ь, Т с магнитудой землетрясения М [Добровольский, 1991; Ка-сахара, 1985; Соболев, 1993; Штейнберг, 1983]. С их помощью находим

Вт~Р1(ГаМ+ь, (9)

где а»0.5, Ь=2+к, к=-1§К, если измерять в абс. ед., а Вт — в нТл. Если взять средние значения Р=2 абс. ед., к=3, то получим внушительную оценку Вт»200 нТл при М=6.

Это сигнал, генерируемый в очаге землетрясения. Нас интересует изменение интенсивности поля с удалением от очага при наличии границы раздела Земля-воздух.

Пусть твердое тело занимает полупростраство г<0. В момент 1=0 возникает разлом вдоль полуплоскости х=0, г<0, причем борта разлома сдвигаются во взаимно противоположных направлениях параллельно оси у. Выберем плоскую конформную модель: и= =ио(*0./(х). Пространственную функцию возьмем в том же виде, как в работе [Гулъелъми, Левшенко, 1993]. Временная функция ЦцШ пусть выглядит так, как в модели Хаскела [Касахара, 1985].

Имеет место уравнение генерации (1) при г<0, уравнение Лапласа У~В=0 при г>0, и выполняется условие соленоидальности V-В=0 при произвольном 2. Примем нулевое начальное условие и следующие граничные условия: поле В непрерывно при переходе через земную поверхность г=0 и исчезает при х—>°о и ъ—>со.

В момент образования разрыва возникает электромагнитный импульс, а спустя время Т на него накладывается второй импульс

противоположной полярности. Рассмотрим вначале первый импульс.

Применим преобразование Фурье по х и преобразование Лапласа по (;. Решение при 7=0 имеет вид

ВхНРит/Т^)ех2/№Ег/с(х/2л/ай, (10)

где Ег/с(х) — функция, дополнительная к интегралу вероятностей.

Для второго импульса выполняется формула (10) с заменой I на 1:—Т и Р на -р. При х>л'аТ суммарный импульс длительностью Т с амплитудой

Вх«2Рит/яТ|х|

имеет прямоугольную форму, причем ВХ»В2. Видно, что при наличии границы раздела Земля-воздух поле убывает с удалением от разлома сравнительно медленно (степенным образом). При и^ 2 м, Т=10 с, а=109 с-1, Р=2 абс. ед. имеем В=1 нТл на расстоянии х=25 км.

Экспериментальные наблюдения за электромагнитными сигналами из очага землетрясения были начаты в 1972 г. на Камчатке Г.А. Соболевым и Н.И. Мигуновым, когда были зарегистрированы электромагнитные сигналы от двух землетрясений на удалении 50 и 70 км от пункта наблюдений. Мы провели аналогичные исследования на Камчатке в 1988 г., причем для регистрации электромагнитных сигналов из очага использовались сейсмомагнитные датчики, что существенно повысило чувствительность регистрирующего тракта. Было зарегистрировано землетрясение с магниту-дой 5.5 и глубиной очага 30 км на расстоянии 220 км от точки наблюдений. Время начала регистрации сейсмических колебаний сейсмомагнигными датчиками соответствует времени прихода сейсмической волны на сейсмометры сейсмической станции "Козы-ревск", расположенной рядом с пунктом наблюдения. На рис. 5 можно видеть, что на записи сейсмомагнитных датчиков имеется цуг волновых колебаний, отсутствующий на сейсмометрах. Этот цуг имеет начало, совпадающее по времени с моментом землетрясения, по спектру он отличается от начальной части сейсмической записи отсутствием высокочастотной составляющей. Отсутствие этих колебаний на сейсмометре указывает на электромагнитную природу сигнала. Видимый период сигналов 0.15-0.5 Гц, амплитуда до 15 пТл, общая длительность 30 с. Учитывая то, что

а

б

1 мин

Рис. 5. Запись землетрясения сейсмомагнитным датчиком (а) и сейсмометром станции "Козыревск" (б). Стрелкой отмечен момент землетрясения

регистрация проводилась с использованием градиентной установки, в которой ионосферные сигналы подавлялись, можно считать, что природа этих колебаний связана с электромагнитным сигналом из очага землетрясения. Оценочные данные, полученные путем теоретических расчетов, показали совпадение порядков величин расчетного и зарегистрированного электромагнитных сигналов.

Дальнейшее экспериментальное изучение электромагнитных сигналов из очага землетрясения было проведено в 1992 г. на Северном Кавказе. Аппаратура включала в себя градиентную установку с электромагнитными датчиками, ориентированными по направлению геомагнитного вектора и запад-восток, сейсмическую станцию, снабженную трехкомпонентным сейсмометром, а также установку для измерения горизонтальных компонент геоэлектрического поля. Район Северного Кавказа имеет более низкий уровень сейсмичности, чем Камчатка, однако за период наблюдения было зарегистрировано более шестидесяти сейсмических событий, происходивших на удалении от 40 до 9000 км от пункта регистрации, а также карьерные взрывы мощностью до 60 т ТНТ, проводившиеся на удалении 65 км. Для анализа были выбраны события, происходившие на удалении до 400 км от пункта наблюдений: их оказалось 11. Предположительно, на этих расстояниях мы могли зарегистрировать прямой электромагнитный сигнал из очага зем-

летрясения. Во всех случаях близких землетрясений приходу сейсмических волн на пункт регистрации предшествовал электромагнитный сигнал. При этом для землетрясений с эпицентрами на удалении до 160 км от точки регистрации электромагнитный сигнал приходил практически в момент начала землетрясения. На больших чем 160 км расстояниях ЛЭМС несколько запаздывает относительно момента возникновения землетрясения. Пример характерной записи события приведен на рис. 6. Анализ записей от карьерных взрывов показал, что амплитуды сейсмических сигналов от взрывов в некоторых случаях превосходят амплитуды зарегистрированных слабых землетрясений, происходивших на тех же расстояниях от точки регистрации. Однако на интервале времени между отметкой взрыва и вступлением сейсмической волны на градиентном канале не обнаружены электромагнитные сигналы, по амплитуде превосходящие фоновые значения. Следовательно, в отличие от землетрясений, поверхностные взрывы не возбуждают электромагнитных сигналов, которые могут быть измерены на удалениях в несколько десятков километров. Это соответствует нашим представлениям о механизме генерации литосферных электромагнитных сигналов. Статистическая обработка полученных данных показала наличие корреляции с коэффициентом 0.91 между временем опережения сейсмической волны электромагнитным сигналом и расстоянием от эпицентра (рис. 7). Получена эмпирическая формула зависимости величины литосферного электромагнитного сигнала АТ (в пТл) от магнитуды землетрясения М и расстояния до очага И (в км):

1Я(114ЛТ)=0.9М+7.3.

Оценка ДТ по этой формуле имеющихся литературных данных по ЛЭМС из очага землетрясения дала несколько завышенный результат.

Таким образом, проведенные теоретические исследования в рамках одномерной и двухмерной моделей очага землетрясения, показали, что возбуждаемые очагом электромагнитные сигналы могут быть измерены на значительных расстояниях от эпицентра при наличии достаточно чувствительной аппаратуры. Проведенные экспериментальные исследования по регистрации электромагнитных сигналов из очага землетрясения позволили зарегистрировать на удалении до 200 км от пункта наблюдений 11 слабых землетрясений, каждое из которых, в отличие от промышленных взрывов,

-и-и-«- 1Н

23Ь 06ш 23ь 07т 23ь 08т

Е сю

р-аДН

I

б

1 пТл/мм

Н,

—Аг-

7.5 пТл/мм

Рис. 6. Запись землетрясения 7.08.1992.Г., 23ь05т235, К=110 км, М=2.1

а — сейсмическая волна; б — электромагнитный сигнал от очага землетрясения, опережающий сейсмическую волну по времени прихода в точку регистрации; Е — электрическое поле; г — сейсмическое поле; Н — переменное магнитное поле; §гас1 Н — градиентный канал магнитного поля

Рис. 7. Время опережения сейсмической волны электромагнитным сигналом (крестики) и время запаздывания электромагнитного сигнала относительно момента землетрясения (точки) как функции расстояния до эпицентра. Сплошной линией и штрихами нанесены соответствующие линии регрессии

сопровождалось электромагнитным сигналом, опережающим фронт сейсмической волны. Это позволяет сделать вывод о том, что как теория, так и экспериментальные наблюдения свидетельствуют о реальном существовании электромагнитных сигналов, возбуждаемых очагом землетрясений.

Глава 6 "Перспективные направления использования результатов исследований ЛЭМС в практических целях". Проведенные теоретические и экспериментальные исследования лито-сферных электромагнитных сигналов показали реальность их существования и возможность измерения существующей аппаратурой. Выявленные закономерности их генерации и распространения позволяют использовать результаты наблюдений за характеристиками ЛЭМС в прикладных целях. В гл. 3 уже отмечалась возможность использования наблюдений за ЛЭМС для поиска кимберли-товых месторождений и зон тектонических нарушений. Эффективным может оказаться также использование измерений характеристик ЛЭМС для поиска месторождений нефти. Появление скоплений нефти и газа в ловушках сейчас ряд исследователей связывает с миграцией глубинных флюидов, содержащих углеводороды, по зонам разломов и трещиноватости в осадочную толщу, причем поступление флюидов происходит импульсно. Миграция углеводородов приводит к образованию вторичного магнетита в слоях осадочной толщи, что создает характерные магнитные аномалии, которые могут, по нашим представлениям, дополняться аномалиями параметров ЛЭМС в зоне скопления нефти, а следовательно, использоваться для прогноза нефтегазоносности.

Предполагается также использование ЛЭМС для диагностики параметров земной коры — электропроводности ст и электрокинетического коэффициента К. Метод основан на одновременной регистрации сейсмических и магнитных колебаний в заданной точке региона. Целесообразно использовать для этих целей поперечные упругие волны, относительно которых нам известно, что они возбуждают на поверхности Земли один лишь инерционный магнитный сигнал (гл. 4).

Явление запаздывания сейсмической волны по отношению к сейсмомагнитному сигналу, возбужденному очагом землетрясения (гл. 5), положено в основу при разработке методики и аппаратуры для сверхкраткосрочного оповещения о землетрясении (за 10~20 с до прихода сейсмической ударной волны). Такое оповещение может оказаться весьма полезным для автоматизированных произ-

водств (таких, например, как атомные электростанции), расположенных в сейсмоактивных районах. Если эпицентр землетрясения находится на удалении 100 км от точки наблюдения, то при скорости распространения сейсмической волны 5 км/с она достигнет объекта через 20 с после начала землетрясения. Электромагнитный сигнал из очага землетрясения приходит на объект практически мгновенно, и оставшееся до прихода сейсмической волны время может быть использовано для запуска автоматической системы аварийного отключения. Разработанная нами автоматизированная система оперативного оповещения особо опасных производств о сильном землетрясении на основе регистрации возбуждаемого им электромагнитного сигнала включает в себя две пары датчиков электромагнитного поля, установленных на расстоянии нескольких километров друг от друга, и цифровую систему сбора и обработки поступающей с датчиков информации в реальном масштабе времени. Функциональная схема системы приведена на рис. 8. При превышении градиента электромагнитного сигнала заданного порогового значения по двум независимым измерениям (с каждой пары датчиков) система выдает сигнал аварийной остановки. Такая система разработана, изготовлена и проходит опробование на Ново-воренежской атомной электростанции, в районе действующих энергоблоков 3, 4 и 5. Этот объект расположен в зоне шестибалльной сейсмичности, и проблема повышения сейсмобезопасности для него является весьма актуальной.

Изучение литосферных электромагнитных сигналов проводилось нами на фоне интенсивных ионосферных сигналов. Сопоставление экспериментальных данных по наблюдениям ионосферных электромагнитных и микросейсмических полей показало наличие взаимосвязи сверхслабых механических смещений поверхности Земли с геомагнитными пульсациями. Проведенные специальные опыты в 1990 г. в Приморье по одновременной регистрации геомагнитных пульсаций и крутильной компоненты микросейсмического волнового поля (с чувствительностью датчиков Ю-4 угловой секунды) показали, что в спектре крутильных смещений имеются компоненты с амплитудами до 0.5 с, и, следовательно, тем или иным способом связанные с геомагнитными пульсациями. Эффект проявляется в течение суток в определенные интервалы длительностью до 2—3 ч. При этом наиболее тесно связана с крутильными смещениями поверхности Б-компонента геомагнитных пульсаций. Это позволяет предположить, что процессы в ионосфере влияют на механические процессы в земной коре.

БЛОК АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА

ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА СБОРА И АНАЛИЗА ДАННЫХ

М1

М2

МЗ

Рис. 8. Функциональная схема работы блока выработки сигнала тревоги

Представляет интерес установка, разработанная на безе сей-смомагнитного датчика для регистрации длиннопериодных вариаций электромагнитных полей с периодами до нескольких суток.

Кроме того, другой из аспектов изучения спонтанных ЛЭМС составляет задачи экологии, т.е. задачи воздействия этого поля на живые организмы. Возможность воздействия спонтанных ЛЭМС на организм человека следует из их свойств — совпадение частотного диапазона ЛЭМС с диапазоном в электромагнитных частотах, максимально воздействующих на организм человека, резкие скачкообразные изменения интенсивности поля за относительно короткие временные интервалы, вертикальная поляризация поля и высокий градиент изменения характеристик поля в горизонтальной плоскости, приводящий к возникновению на поверхности Земли локальных зон концентрации поля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы развиты основы нового направления геомагнетизма, сущность которого состоит в экспериментальном и теоретическом исследовании параметров земной коры и мониторинге протекающих в ней геодинамических процессов путем изучения характеристик сверхнизкочастотных электромагнитных сигналов литосферного происхождения. В рамках этого направления получены следующие наиболее ваянные конкретные результаты:

— экспериментально и теоретически установлено, что земная кора является электродинамически активной средой, способной возбуждать геоэлектромагнитное поле;

— обнаружено существование спонтанных литосферных электромагнитных сигналов, характеристики которых коррелиру-ются с приливными вариациями силы тяжести, что указывает на связь механизмов генерации спонтанных ЛЭМС с изменением напряженного состояния вещества в земной коре;

— разработаны теоретические основы методов расчета характеристик литосферных электромагнитных сигналов, возбуждаемых очагом землетрясения и распространяющейся упругой волной;

— предложено общее уравнение генерации ЛЭМС и проанализирована эффективность механизмов генерации;

— модернизирована аппаратура и методика наблюдений с целью повышения точности измерения литосферных электромагнитных сигналов на фоне ионосферных и техногенных помех;

— указаны общие направления развития и разработаны основы методов использования наблюдений за литосферными электромагнитными сигналами для решения задач геофизического мониторинга земной коры и поиска месторождений полезных ископаемых.

Основное содержание диссертации представлено в следующих работах:

1. Inhomogeneity of Earth with Respect to Physical Processes of Earthquakes// Zeitschrift fur Geophysic. 1972. B.38. S.455-460 (coauthors: Galkin I.N., Myachkin V.l., Nikolayev A.V.).

2. Оценка точности и некоторые результаты наблюдений по просвечиванию очаговых зон на Камчатке// Физика очага землетрясений. М.: Наука, 1975. С.164-176 (соавторы: Мячкин В.И., Дол-билкина H.A., Кушнир Г.С. и др.).

3. Об определении скорости по годографу в диспергируещей среде с известным законом дисперсии// Методы и алгоритмы интерпретации сейсмологических данных. М.: Наука, 1980. С.84-90 (соавтор Маркушевич В.М.).

4. Инструментальные средства виброзондирования крутильными колебаниями// Сейсмические приборы. Вып.15. М.: Наука, 1983. С.156-163.

5. Восстановление среды по стационарному полю, возбуждаемому гармоническим виброисточником. Европейская сейсмологическая комиссия XIX Генеральная ассамблея// Тез. докл. М., 1984. С. 127 (соавторы: Маркушевич В.М., Новикова H.H., Резников Е.Л.).

6. О некоторых особенностях регистрации землетрясений безынерционным сейсмометром// ДАН СССР. 1988. Т.300, N 2. С.326-328 (соавторы: Левин Дж., Садовский A.M.).

7. Электромагнитное поле очага землетрясения// ДАН СССР.

1989. Т.308, N 1. С.62-65 (соавторы: Гохберг М.Б., Крылов С.М.).

8. Сейсмомагнитный датчик// Сейсмические приборы. Вып.21. М.: Наука, 1980. С.3-8 (соавтор Крылов С.М.).

9. Об интерпретации колебаний, зарегистрированных безынерционным сейсмометром, от землетрясений на Алеутских островах в мае 1986 г.// Сейсмические приборы. Вып.21. М.: Наука,

1990. С.139-144 (соавтор Штанге Д.В.).

10. О сверхнизкочастотном электромагнитном излучении ли-тосферного происхождения// ДАН СССР. 1990. Т.311, N 3. С.579-581 (соавтор Крылов С.М.).

11. Вопросы обнаружения электромагнитного излучения очага землетрясений// Режимные геофизические наблюдения. М.-Гарм: ИФЗ АН СССР, 1990. С.179-192 (соавтор Крылов С.М.).

12. Низкочастотное переменное магнитное поле вулканической зоны// Вулканология и сейсмология. 1991. N 3. С.49-59. (соавторы: Крылов С.М., Чернышев С.Д., Гордеев Е.И.).

13. Об электромеханических связях между ионосферой и литосферой Земли// ДАН СССР. 1991. Т.319, N 2. С.328-332. (соавторы: Крылов С.М., Беляков О.С.).

14. Аппаратура и методика обнаружения сверхнизкочастотных проявлений тектонической активности среды// Сейсмические приборы. Вып.22. М.: Наука, 1991. С.123-130 (соавтор Крылов С.М.).

15. Инерционный механизм генерации сейсмомагнитных сигналов// Докл. РАН. 1993. Т.329, N 4. С.432-434 (соавтор Гульель-ми A.B.).

16. Естественное сверхнизкочастотное электромагнитное излучение среды и его практическое применение// Тез. Междунар. семинара "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей". М.: МГРИ, 1993. С.22-23 (соавтор Крылов С.М.).

17. Тепловая эволюция литосферы и условия тепломассопе-реноса в земной коре// Институт прикладной геофизики: Основные результаты, работы в 1992-1993 гг. T.l. М.: ОИФЗ РАН, 1994. С.99-123 (соавторы: Глико АО., Парфенюк О.И., Петру-нин А.Г. и др.).

18. Электромагнитные сигналы от землетрясений// Физика Земли. 1994. N 5. С.65-70 (соавтор Гульельми A.B.).

19. Вопросы теории сейсмоэлектромагнитных сигналов. М.: ОИФЗ РАН, 1995. 12 с. (соавтор Гульельми A.B.).

20. Крутильный сейсмометр. Авторское свидетельство СССР 1116405// Бюл. изобретений. N 36. 1984. (соавторы: Хаврош-кин О.Б., Шубина В.И.).

21. Крутильный сейсмометр. Авторское свидетельство СССР 1125569// Там же. N 43. 1984.

22. Способ регистрации предвестников разрушения горных пород. Авторское свидетельство СССР 1385810// Там же. N 12. 1988. (соавторы: Соболев Г.А., Шпоркин М.И., Марков Г.А.).

23. Способ определения угловых смещений земной поверхности. Авторское свидетельство СССР. 1385814// Там же. N 12. 1988. (соавтор Садовский A.M.).

24. Способ оперативного оповещения о землетрясениях, Авторское свидетельство СССР 1674034// Там же. N 32. 1991. (соавтор Гохберг М.Б.)