Введение к работе
В диссертации разработаны и исследованы модели вариаций магнитного поля Земли, порождаемых источниками, расположенными в геосферных оболочках (литосфере, внешнем ядре, магнитосфере Земли).
Актуальность работы. Естественное магнитное поле Земли, в основном
порождающееся сложными магнитогидродинамическими процессами
(МГД-процессами) в ядре Земли [Нечаев, 2003] и токами в магнитосфере
[Яновский, 1964], испытывает постоянные возмущения Источники этих
возмущений расположены в земных оболочках и на Солнце [Нечаев, 2003]
Изучение вклада земных оболочек в регистрируемые возмущения
геомагнитного поля (геомагнитные вариации) является дополнительным
источником информации как о процессах, протекающих в земных оболочках,
так и, в определённой степени, о структуре оболочек Суммарный
регистрируемый эффект геомагнитных вариаций зависит как от процессов
планетарного масштаба, так и от локальных Геофизические поля-
электротеллурическое, приземное электрическое, импульсное
электромагнитное, высокочастотный сейсмический шум (ВСЩ) содержат компоненты с частотами близкими к суточным Особый интерес вариации с этими частотами представляют для сейсмоактивных регионов Аномальное поведение этих сигналов изучают и пытаются использовать в качестве одного из комплекса предвестниковых признаков землетрясений для сейсмоактивных регионов мира На Камчатке геомагнитные вариации с частотами порядка суточных и полусуточных в качестве прогностических признаков ранее не рассматривались, поэтому исследования в данном направлении являются актуальными
Уже не один десяток лет в лабораторных и в естественных условиях проводятся исследования вариаций магнитного поля и эмиссии импульсного электромагнитного излучения при разрушении горных пород До настоящего времени не сложилось единого мнения о природе механизма источника таких вариаций В естественных условиях такие вариации регистрируются, в том числе, и при разрушении горных пород в результате землетрясений В большинстве опубликованных работ исследования направлены в первую очередь на излучения, испускаемые электрическими диполями Землетрясения происходят и в областях, сложенных намагниченными породами, такими как габбро, гранодиорит, гранит биотитовый, гранит лейкократовый, габбро-диорит Однако, излучения магнитных диполей, возникающие при разрушении таких пород, мало изучены Эти излучения вносят вклад в локальные геомагнитные вариации, поэтому актуальным является также построение моделей и исследование особенностей излучения косейсмических магнитных вариаций, сопровождающих достаточно сильные и часто регистрируемые землетрясения с магнитудами m = 5 и m = 6
С другой стороны, при прогнозировании землетрясений в последнее время в качестве информационного параметра используется отклик земных оболочек на приливы Для этого в геофизических полях выделяются вклады с -
приливными частотами В последние годы на Камчатке широко исследуются высокочастотный сейсмический шум [Рыкунов, 1979, Салтыков, 2006], электротеллурические поля [Кролевец, Копылова, 2003], импульсное электромагнитное поле [Кролевец, Павлюков, 2001] В этих исследованиях установлена связь приливных составляющих с особенностями сейсмичности
В данной работе предполагается, что источники магнитного поля Земли также генерируют отклик на приливное воздействие Можно ожидать, что характер этого отклика будет зависеть от вкладов, вносимых магнитосферными токами и МГД-процессами в ядре Земли
Временные ряды компонент геомагнитного поля, полученные на базе
автоматизированного комплекса аппаратуры обсерватории «Паратунка»
(географическая широта q> = 52 58,33' N, географическая
долгота X = 158 15, 02' Е) за период 2001 - 2003 гг., до настоящего времени не исследовались на наличие отклика на приливное воздействие и существование в отклике с частотами приливных волн 0| и М2 предвестниковых признаков Например, в поведении огибающей временных рядов ВСШ обнаружены прогностические признаки, появляющиеся на частотах приливных волн [Салтыков, 2006]. На данный момент, проблема выделения в сигнале предвестниковых признаков на частотах приливных волн является актуальной, но ее решение невозможно без создания моделей и специального исследования вкладов в вариации геомагнитного поля от местных и планетарных источников Такие исследования могут быть выполнены путём создания и изучения специально построенных моделей
Целью исследования является разработка и исследование математических моделей источников вариаций геомагнитного поля: локальных (в сейсмоактивной зоне) и планетарного масштаба (во внешнем ядре и магнитосфере Земли).
В ходе достижения цели решались следующие задачи
построение модели литосферного блока с ферромагнитными включениями, порождающего вариации геомагнитного поля в результате сейсмического процесса, анализ модели;
разработка и обоснование модели, в рамках которой можно адекватно описать основные процессы, порождающие геомагнитные вариации с частотами приливных волн О) и М2 с источниками, расположенными во внешнем ядре и магнитосфере Земли, анализ модели;
оценка вкладов от каждого из источников и анализ возможности регистрации и выделения геомагнитных вариаций с частотами приливных волн О, (25,8 ч ) и М2 (12,4 ч) [Мельхиор, 1968] на фоне сигналов генерируемых другими источниками на основе анализа модели,
-оценка возможности использования выявленных особенностей вариаций в качестве прогностических признаков для предсказания землетрясений,
получение информации о процессах в очагах землетрясений,
составление комплекса компьютерных программ для выполнения анализа моделей и обработки экспериментальных данных,
проведение спектрального анализа компонент вектора магнитной индукции с частотами приливных волн О і и Мг экспериментальных геомагнитных данных, полученных на геофизической обсерватории «Паратунка» за период 2001 -2003гг,
сопоставление результатов анализа модельных и экспериментальных данных с целью проверки адекватности предложенных в работе моделей
При решении этих задач использованы
- результаты регулярных наблюдений компонент геомагнитного поля за
период 2001-2003 гг на базе автоматизированного комплекса аппаратуры
геофизической обсерватории «Паратунка»;
Основные методы исследования базируются на математическом аппарате математической статистики, линейной алгебры, математического анализа При разработке программ используются методы структурного программирования, а для тестирования алгоритмов и программ метод компьютерного моделирования
Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается-
соответствием значений вариаций, полученных расчётным путём в результате исследования моделей, с вариациями, регистрируемыми в результате наблюдений,
согласованностью результатов расчетов и экспериментальных данных,
сопоставимостью с результатами других исследователей
Предмет исследования: математические модели источников геомагнитных вариаций, составляющие во временных рядах геомагнитных измерений обсерватории «Паратунка» за 2001 - 2003 гг с периодами приливных волн Ot и М2
В построенных моделях в качестве источников геомагнитных вариаций рассматриваются' во-первых, намагниченный литосферный блок, подвергающийся разрушению в результате сейсмических процессов, во-вторых, токи во внешнем ядре и магнитосфере Земли, подверженные приливным воздействиям
Научная новизна работы:
впервые предложена и исследована математическая модель источника вариаций магнитного поля, возникающих при активных сейсмических процессах в магнитоактивных породах,
магнитный диполь обоснован в качестве физического источника вариаций,
выполнены теоретические оценки для очагов землетрясений с разными магнитудами и показано, что магнитные вариации, возникающие в очагах землетрясений с магнитудами т = 5 и т = 6, могут быть зарегистрированы современными приборами,
впервые предложена и исследована математическая модель приливного воздействия на источники геомагнитного поля,
- анализ модели показал, что эффекты геомагнитных вариаций, обусловленные
приливной деформацией ядра Земли, могут маскироваться эффектами
деформаций кольцевого тока магнитосферы,
-теоретически показано, что компоненты рассчитанного вектора магнитной
индукции на приливных частотах зависят от координат точки наблюдения и
источников вариаций; ,
- анализ наблюдательных данных позволил установить, что полученные по
геомагнитным измерениям на среднеширотной станции (ф = 52 58, 33'N)
годографы, наблюдаемых приливных составляющих вектора магнитной
индукции, в совокупности принадлежат цилиндрическим поверхностям
Научная и практическая значимость работы:
Полученные в работе результаты по построению, обоснованию и исследованию моделей геомагнитных вариаций от источников, расположенных в ядре Земли, магнитосфере и очаговой области землетрясения имеют как фундаментальное, так и прикладное значение при решении задачи об определении основного источника вариаций локального геомагнитного поля Выполненные оценки регистрируемых магнитных вариаций в очагах землетрясений с магнитудами m = 5 и m = 6 позволяют судить о возможности выполнения независимых оценок параметров разрыва, в частности очаговой длительности, и интерпретировать косейсмические вариации Результаты оценки вклада от каждого из источников вариаций, рассмотренных в работе, могут быть приняты во внимание при выделении в сигнале с приливными частотами предвестниковых признаков.
Положения, выносимые на защиту:
1. Модель магнитного источника вариаций характеристик электромагнитного поля в литосфере. Результаты исследований амплитуд временных вариаций магнитной индукции, напряженности электрического поля, сопровождающих землетрясения с магнитудами m = 5 и m = 6
2 Модель приливного воздействия на источники геомагнитного поля Результаты, полученные в ходе анализа предложенной модели
3. Результаты сопоставления теоретически предсказанных вариаций магнитного поля с наблюдаемыми в районе обсерватории «Паратунка» за период 2001 - 2003 гг.
Апробация работы. Основные результаты работы, составляющие содержание диссертации, докладывались на международных и российских конференциях и опубликованы в трудах этих конференций-
- Первая международная школа-семинар Физические основы прогнозирования
разрушения горных пород 9-15 сентября 2001 г, г Красноярск.
-Научно-практическая конференция. Новые информационные технологии на
Камчатке. Настоящее и будущее 6-10 октября 2001 г, г Петропавловск-
Камчатский.
-Конференция молодых исследователей и специалистов Вулканизм, сейсмичность и окружающая среда 10-11 октября 2001 г, г Петропавловск-Камчатский
- XXIII General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics
June 30 - July 11,2003, Sapporo Japan
-IV Международное совещание по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг Взаимосвязь между тектоникой, сейсмичностью, магмообразованием и извержениями вулканов в вулканических дугах 21-27 августа 2004 г, г Петропавловск-Камчатский -XXI Всероссийская молодёжная конференция Строение литосферы и геодинамика. 19-24 апреля 2005 г., г Иркутск.
-Научно-техническая конференция Комплексные сейсмологические и геофизические исследования Камчатки 17-18 января 2006 г , г Петропавловск-Камчатский
-Ежегодная конференция, посвященная Дню вулканолога, г Петропавловск-Камчатский, 2007г
XXIV General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics July 2-13,2007, Perugia Italy.
IV Международная конференция Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений 14-17 августа, 2007г,п Паратунка, Камчатский край
Личный вклад автора
-разработана и исследована математическая модель геомагнитных вариаций,
источником которых является очаговая область землетрясения, сложенная
магнитоактивными материалами,
-выполнен спектральный анализ и анализ поведения фаз составляющих
вектора магнитной индукции с приливными частотами волн О і и Мг с
использованием временных рядов геомагнитных измерений обсерватории
«Паратунка» за период 2001 - 2003 гг;
-предложена модель источников геомагнитных вариаций, расположенных во
внешнем ядре и магнитосфере Земли, и выполнен математический анализ
предложенной модели;
- исследован отклик источников магнитного поля Земли на приливное
воздействие
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, 9 статей в материалах и трудах международных и российских конференций Получено свидетельство об отраслевой регистрации разработки в Отраслевом фонде алгоритмов и программ
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 74 наименования, и трех приложений Основная часть работы изложена на 80 страницах машинописного текста Работа содержит 23 рисунка и 2 таблицы
