Введение к работе
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
-
Экспериментально исследовать параметры электромагнитных сигналов, возбуждаемых в литосфере, условия проявления таких сигналов и их связь с изменением напряженного состояния вещества в земной коре.
-
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 f>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:
-
Экспериментальные данные по регистрации вынужденных и спонтанных электромагнитных сигналов литосферного происхождения, подтверждающие существование таких сигналов.
-
Совокупность результатов теоретических исследований, базирующихся на полученных экспериментальных данных, по анализу механизмов генерации литосферных электромагнитных сигналов и оценке возбуждаемого электромагнитного поля.
-
Экспериментальное подтверждение возможности использования наблюдений за аномалиями литосферных электромагнитных сигналов в качестве поискового критерия при разведке месторождений полезных ископаемых.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик электромагнитных сигналов, возбуждаемых в среде очагом землетрясения и распространяющейся сейсмической волной.
-
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 А.В. Гульель-ми.
Автору принадлежит идея и конструкторская проработка сейсмомагнитного датчика, использованного для регистрации элек-
тромапштных 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 СМ. 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 А.В. 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. СМ. 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, кф.м.н. Л.С Безуглой, к.ф.м.н. Н.Н. Никифоровой, к.ф.м.н. СВ. 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 000 Международного научного фонда (фонд Сороса) и грантом NFA 300, присужденным совместно Международным научным фондом и Российским фондом фундаментальных исследований.