Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор работ по сейсмоэлектромагнитным процессам и явлениям в байкальской сибири 10
1.1. Физические механизмы образования сейсмогенных электромагнитных эмиссий 10
1.2. Обзор работ по сейсмоэлектромагнитным исследованиям в Байкальской Сибири 15
1.2.1. Характеристика сейсмической активности и геологического строения Байкальской Сибири 19
1.2.2. Глубинный геоэлектрический разрез Байкальской Сибири 22
1.3. Обоснование цели и задач исследования 28
Глава II. Методы расчетов и измерений характеристик электромагнитного поля над слоистонеоднородными структурами 32
2.1. Поверхностный импеданс слоистой среды 32
2.1.1. Геоэлектрические модели слоистой среды 34
2.1.2. Корректирующий множитель двухслойной среды 36
2.1.3. Скин-слой слоистой среды 40
2.2. Обратная задача для слоистой импедансной среды 41
2.3. Методы расчета поля земной волны над слоисто-неоднородными импедансными структурами 43
2.3.1 .Ряд Фока и формула Калинина-Фейнберга 45
2.3.2. Интегральные уравнения Хаффорда и Фейнберга 47
2.4. Методы радиоволновых измерений в ОНЧ-НЧ-СЧ диапазонах 48
2.4.1. Аппаратура и методика радиоимпедансных и электрических зондирований 49
2.4.2. Аппаратура и методика измерений уровня поля радиоволн 54
2.4.3. Многоканальный регистратор естественного импульсного электромагнитного поля Земли (станции "Катюша-5" и МГР-01) 57
Выводы 62
Глава III. Электрические характеристики земной коры байкальской сибири 63
3.1. Результаты полевых измерений электрических свойств различных типов горных пород и их анализ 63
3.1.1. Анализ данных вертикальных электрических зондирований 64
3.1.2. Статистический анализ данных радиоимпедансных зондирований в СНЧ-ОНЧ-НЧ-СЧ диапазонах 66
3.2. Электрические характеристики впадин и горных сооружений 67
3.2.1. Электрические свойства осадочных комплексов 68
3.2.2. Электрические свойства кристаллических комплексов 72
3.3. Геоэлектрическая модель озера Байкал 75
3.4. Карты геоэлектрических разрезов Байкальской Сибири 78
3.4.1. Карта ГЭР Байкальской Сибири масштаба 1:2500000 79.
3.4.2. Карта ГЭР Иволгинской впадины масштаба 1:200000 81
Выводы 84
Глава IV. Анализ условий распространения земной волны над неоднородными импедансными структурами ...85
4.1. Спектральные характеристики импедансного канала распространения 85
4.2. Поле земной волны над разломной зоной 88
4.3. Поле над радиотрассой с пространственным изменением импеданса и высоты 91 >
4.4. Поле над неоднородной структурой "лед-соленая вода" 96
4.5. Поле на реальных гористых радиотрассах 103
Выводы 105
Глава V. Естественное электромагнитное поле земли в онч диапазоне 108
5.1. Суточный и сезонный ходы ОНЧ импульсного потока магнитной компоненты естественного электромагнитного поля Земли 108
5.2. Эффект электромагнитного "сейсмического затишья" 115
5.3. Моделирование эксперимента на разломе "Саженная" 119
Выводы 124
Заключение 126
Литература 129
- Обзор работ по сейсмоэлектромагнитным исследованиям в Байкальской Сибири
- Методы расчета поля земной волны над слоисто-неоднородными импедансными структурами
- Многоканальный регистратор естественного импульсного электромагнитного поля Земли (станции "Катюша-5" и МГР-01)
- Электрические характеристики впадин и горных сооружений
Введение к работе
Актуальность темы. В последние 10-15 лет сформировалось новое научное направление радиофизики — сейсмоэлектромагнетизм, включающее в себя высокоразрешающее радиозондирование неоднородных сред и' радиофизические наблюдения за сейсмоэлектромагнитными эмиссиями в СНЧ-ОНЧ-НЧ диапазонах [1-4]. Исследования в этом направлении проводятся в Японии, США, Китае, Греции, Италии, Франции, Мексике, Индии и некоторых других странах. В России высокая сейсмическая активность наблюдается на Камчатке, в Байкальской рифтовой зоне, на Алтае и на Кавказе. Важной составной частью сейсмоэлектромагнетизма является изучение электрических свойств (проводимости а и диэлектрической проницаемости є) земной коры, сейсмоактивных областей. Это объясняется тем, что землетрясения как импульсные механические процессы всегда происходят в земной коре. Обзор литературы показал, что неоднородное распределение электрических свойств подстилающей среды в сейсмоактивной Байкальской Сибири исследовано' недостаточно полно и всесторонне. В работе электрические свойства неоднородных природных сред рассматриваются с точки зрения взаимодействия среды и электромагнитных волн с использованием теории распространения радиоволн над импедансными структурами. При мониторинге электромагнитных процессов в нагруженных горных породах большое значение для его эффективности имеет выбор места расположения пункта наблюдения с соответствующим типом подстилающей среды. Наиболее интересными с этой точки зрения являются зоны разломов в земной коре, которые имеют длину до сотен километров и ширину от единиц метров до десятков километров. Анализ литературных данных показал, что радиофизическая модель разлома не создана. Поэтому одним из объектов-исследований стали зоны разломов в земной коре. Одним из наиболее интересных типов подстилающей среды для выбора места расположения приемной аппаратуры являются слоистые среды типа "диэлектрик на
6 проводнике", имеющие сильно-сильноиндуктивный поверхностный импеданс, например, "лед-соленая вода". С точки зрения радиофизики это задача о влиянии "посадочной" площадки на чувствительность и, в целом, -эффективность работы сейсмоэлектромагнитного приемно-регистрирующего комплекса. Аналогичные исследования в России и других странах в данном направлении не проводились. Таким образом, тема диссертации актуальна и находится в русле мировых научных приоритетов в области сейсмоэлектромагнетизма.
Целью работы является определение электрических свойств
подстилающей среды Байкальской Сибири, оценка их влияния на
распространение широкополосных электромагнитных эмиссий и определение
пространственно-временных характеристик естественного ОНЧ
электромагнитного поля по данным радиоизмерений и моделирования.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) по данным радиоимпедансных зондирований, фондовым материалам
электроразведки определить электрические свойства и геоэлектрическое
строение сейсмоактивной Байкальской Сибири, создать карты ее
геоэлектрического разреза;
оценить количественно влияние электрических характеристик и рельефа местности на распространение ОНЧ-НЧ электромагнитных волн над слоисто-неоднородными средами; ' '
определить пространственно-временные характеристики ОНЧ естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) по данным многолетнего радиомониторинга и моделирования;
4) по данным мониторинга ЕИЭМПЗ провести корреляционный анализ
электромагнитного и сейсмического процессов с целью выявления аномального
изменения магнитной компоненты ЕИЭМПЗ перед землетрясениями;
5) усовершенствовать методику радиоволновых ОНЧ-НЧ-СЧ измерений и
моделирования естественных и искусственных электромагнитных полей.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
- созданы карты геоэлектрических разрезов Байкальской Сибири и
Иволгинской впадины, необходимые для расчетов распространения радиоволн
над слоисто-неоднородными средами;
предложена и численно исследована модельная радиотрасса с пространственным изменением импеданса 8~cos(mR) периодической рельефной, поверхности; определено количественно влияние двухслойной структуры "лед-соленая вода" на распространение поля земной волны;
предложен способ определения поверхностного импеданса двухслойной структуры "диэлектрик на проводнике" по величине электропроводности проводника и толщине диэлектрика;
создана электромагнитная модель разлома и проведено моделирование условий распространения радиоволн над ним; установлен повышенный уровень ОНЧ импульсного потока ЕИЭМПЗ над зоной разлома, обусловленный увеличением уровня поля над более проводящей средой;
определены пространственно-временные характеристики ЕИЭМПЗ в ОНЧ диапазоне; обнаружено аномальное уменьшение уровня ЕИЭМПЗ перед, сильными землетрясениями - эффект электромагнитного "сейсмического затишья";
- предложена методика радиокомпарирования поля, заключающаяся в
измерениях электромагнитного поля при постоянном радиусе и разных углах на'
излучатель.
Практическая значимость. В работе показано, что при мониторинге электромагнитных процессов в нагруженных горных породах важное значение-для его эффективности имеет выбор места расположения пункта наблюдения с соответствующим типом подстилающей среды. Установлено, что наиболее интересными областями для расположения пункта наблюдения являются зоны разломов в земной коре. Привлечение повышенного внимания к этому новому для радиофизики объекту имеет важное практическое применение в области сейсмоэлектромагнетизма. При исследовании возможности использования
слоистой подстилающей среды с различным сочетанием электромагнитных свойств как индикаторов сейсмотектонических процессов установлено, что наиболее интересными представляются структуры типа "диэлектрик на проводнике", имеющие сильно-сильноиндуктивный поверхностный импеданс,, например, "лед-соленая вода". В Байкальской Сибири и на всем северо-востоке Евразии с суровыми климатическими условиями такие структуры - аналоги структуры "лед-море" в Арктическом бассейне существуют более полугода. Полученные электрические характеристики подстилающей среды Байкальской' Сибири могут быть использованы для прогнозирования распространения радиоволн над импедансными трассами, при оценке зоны охвата радиовещанием в НЧ-СЧ диапазонах, выборе антенных площадок для строительства передающих радиоцентров.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1.Электрические свойства подстилающей среды Байкальской Сибири в низкочастотной области радиодиапазона зависят от типа слоисто-неоднородной геоэлектрической структуры (впадина, массив, зона разлома). Важной особенностью электрических свойств подстилающей среды региона является высокое (до 150 кОм-м) электрическое сопротивление слоя консолидированной земной коры, установленное по данным радиоимпедансных зондирований.
2. Слоистые природные среды типа "диэлектрик на проводнике" могут служить чувствительными индикаторами сейсмоэлектромагнитных процессов. Модель "лед - соленая вода" показывает, что слой льда существенно влияет на электромагнитное поле, которое на некоторых расстояниях может быть больше, чем электромагнитное поле над бесконечно проводящей поверхностью. Она позволяет прогнозировать функцию ослабления и уровень поля на многокусочных импедансных радиотрассах.
3. Геоэлектрическая модель разлома представляет, как правило, линейную зону
повышенной электропроводности с резко очерченными границами.
Наблюдаемый над зоной разлома повышенный уровень ЕИЭМПЗ объясняется
не литосферным излучением из зоны разлома, а влиянием "посадочной"
площадки, имеющей высокую электропроводность.
4. На основе совместной обработки вариаций естественного ОНЧ электро
магнитного поля и сейсмических событий в Байкальской Сибири обнаружен
эффект электромагнитного "сейсмического затишья": за несколько суток до
сильного землетрясения происходит аномальное снижение интенсивности,
импульсного потока магнитной компоненты по направлениям приема "север-
юг" и "запад-восток" одновременно. После землетрясения плотность
импульсного потока в суточном ходе магнитной компоненты выходит на
обычный "средний" уровень.
10.
Обзор работ по сейсмоэлектромагнитным исследованиям в Байкальской Сибири
Следует отметить, что в [21] подтверждена реальность возникновения низкочастотных электромагнитных шумовых излучений (механизм 2) на высотах верхней ионосферы над очагом землетрясений: "Низкочастотные излучения в верхней ионосфере и магнитосфере возбуждаются в результате нелинейного взаимодействия с альфвеновскими волнами, которые возникают в ионосфере за счет флуктуации токов в очаге землетрясения". В работе [22] представлены результаты поиска краткосрочных предвестников землетрясений в аномальных вариациях фазы СДВ радиоволн (f= 11,9 кГц) на трассе, пересекающей сейсмоактивный район Восточного Прибайкалья (Байкальскую рифтовую зону). Однако, авторами [22] сделан" вывод о том, что для наблюдения краткосрочных электромагнитных предвестников землетрясений в антропогенных (техногенных) полях диапазон СДВ (ОНЧ), по-видимому, не годится. Ю.П. Вербин и др. считают, что электромагнитные предвестники землетрясений несомненно существуют, но все их проявления, скорее всего, никак не связаны с ионосферой. Авторы -подтверждают реальность существования радоновых предвестников землетрясений: "повышенный радиационный фон изменяет, прежде всего, высотное распределение показателя преломления воздуха в пределах тропосферы, при этом в показателе преломления появляется небольшая составляющая проводимости (диэлектрическая проницаемость становится комплексной) ". В [23] проанализирована совокупность данных натурных наблюдений за аномалиями электрического поля в атмосфере. Отмечено, что сейсмоаномальные возмущения в электрическом поле атмосферы сохраняют основные черты краткосрочных предвестников деформационной природы: предвестники могут наблюдаться на значительных расстояниях от эпицентра,, при этом интенсивность поля не проявляет явной зависимости от расстояний до эпицентра; землетрясение может происходить на спаде или после окончания аномалии-предвестника. При этом, наряду с уменьшением поля, иногда и с переменой полярности, регистрируются аномалии значительного возрастания" поля. При радиофизическом наблюдении за сейсмоэлектромагнитными эмиссиями очень важен вопрос о чувствительности аппаратуры и ее локализации.
Знание электрических свойств пород земной коры в Байкальской Сибири имеет важное значение в понимании физических механизмов образования сейсмогенных электромагнитных эмиссий. В Байкальской Сибири в 1994-2009 гг. выполнены экспериментальные сейсмоэлектромагнитные исследования различными радиофизическими методами: 1) долговременные наблюдения уровня ЕИЭМПЗ в диапазоне 10-20 кГц при помощи автоматизированной станции "Катюша-5" (разработка ТПУ) в п. Талая на южном побережье оз. Байкал; 2) многолетний высокоточный мониторинг амплитудно-фазовых характеристик электромагнитного поля радиостанции РТЗ-50 на трассе Ангарск-Улан-Удэ (ИЗК СО РАН, ВСНИИФТРИ и БНЦ СО РАН) [12, 24-26]; 3) измерения движений земной коры с помощью сети GPS приемников (ИЗК СО РАН и БНЦ СО РАН) [27-29]. В Байкальской рифтовой зоне также выполняется мониторинг деформаций и наклонов земной коры (п. Талая), постоянно действует сеть сейсмических станций при Институте земной коры СО РАН и Геологическом институте СО РАН. Силами сотрудников ИЗК СО РАН, ВСНИИФТРИ Госстандарта РФ и БНЦ СО РАН в период 1994-98 гг. выполнялся грант РФФИ "Исследование влияния на амплитудно-фазовые характеристики СДВ сигнала и возможности генерации электромагнитного излучения в ОНЧ диапазоне сейсмоактивными областями". На трассе Ангарск-Улан-Удэ (рис. 1.2) проводились высокоточные измерения амплитуды и фазы сигнала радиостанции RTZ на частоте 50 кГц. Для проведения измерений был разработан и изготовлен автоматизированный комплекс, структурная схема которого представлена на рис. 1.3 [12, 24-26]. Основу аппаратурного комплекса составляли квантовые часы Hewlett Packard НР5061-А, относительно которых велся контроль фазы эталонной частоты 50 кГц. На базе персонального компьютера IBM было разработано и изготовлено радиоприемное устройство с системой пилотирования сигнала для учета фазовых сдвигов в приемнике из-за старения элементов и изменения окружающей температуры. Согласно результатам обработки полученного за полтора года материала обнаружена годичная вариация амплитуды и фазы радиосигнала (рис. 1.4). Амплитуда этих вариаций составляет величину, значительно превышающую погрешности измерений. Возможными причинами подобных годовых вариаций могут являться изменения электропроводности подстилающей среды (зима-лето), процессы в нижней атмосфере (получена значимая корреляция данных параметров с атмосферным давлением) и, частично, изменения уровня D-слоя ионосферы.
Методы расчета поля земной волны над слоисто-неоднородными импедансными структурами
Механизм распространения земной волны, амплитудно-фазовая структура которой имеет относительно высокую стабильность, является одним из основных в задачах сейсмоэлектромагнетизма в ОНЧ-НЧ диапазонах. Под прогнозированием (моделированием) электромагнитного поля обычно понимают вычисление его амплитудно-фазовой структуры в пространстве и во времени на основе данных о среде, над которой распространяются волны. Точность прогнозирования определяется [61]: 1) степенью соответствия реальной модели среды той, которая принята для расчетов поля; 2) погрешностью методов локальных измерений электрических свойств среды; 3) точностью теоретических расчетов характеристик поля по принятой модели среды. Наиболее адекватной моделью подстилающей среды для прогнозирования функции ослабления W, являющейся основной характеристикой процесса распространения радиоволн, является горизонтально-слоистая структура с частотно-независимыми (или зависимыми) электрическими параметрами в каждом слое. Эта модель на территории платформ хорошо соответствует реальной структуре, имеющей здесь в основном горизонтальную стратификацию горных пород. Более точной по сравнению с однородной импедансной моделью подстилающей среды оказывается модель многокусочной импедансной радиотрассы, когда импеданс изменяется вдоль направления распространения радиоволн. Область, существенная для распространения земной волны, охватывает несколько первых зон Френеля в окрестности геодезической линии, соединяющей излучатель и приемник. Исследования спектральных характеристик радиотрасс актуальны при решении задач распространения широкополосных электромагнитных сигналов, а также при выборе рабочих частот радиолиний передачи информации. Они позволяют получить оценки затухания широкополосных излучений, необходимые для расчетов пространственно-частотных и импульсных характеристик природного фильтра - реальной геологической среды. Рассмотрим задачу о поле вертикального электрического диполя над неоднородной сферической поверхностью Земли.
Однокомпонентный вектор Герца П удовлетворяет импедансному граничному условию где 8 - приведенный поверхностный импеданс, изменяющийся вдоль неоднородной радиотрассы, к=2л/Л - волновое число свободного пространства, Л - длина волны, п — внешняя по отношению к Земле нормаль, z - вертикальная координата. Модуль вертикальной составляющей электрического поля \ЕВ\ связан с статический члены, которые "участвуют" в формировании поля в (ikR)2 ближней зоне излучателя. В расчетах излучаемая мощность принята равной 1 кВт. Зависимость поля от времени принята в виде функции exp(-mt). Приемник и передатчик расположены на поверхности Земли. Модуль \Щ учитывает дополнительное (по отношению к множителю 1/R) убывание-амплитуды поля с расстоянием, а аргумент W (дополнительная фаза (рдоп) характеризует отклонение фазы волны от линейности в пространстве. Известны следующие основные методы расчета функции ослабления W поля земной волны для неоднородных трасс: 1) ряд нормальных волн (ряд В.А. Фока) [62]; 2) формула Калинина-Фейнберга [63]; 3) интегральное уравнение Хаффорда [64]; 4) интегральное уравнение Фейнберга [65]. Для определения точности и предельной дальности расчетов распространения поля земной волны требуется проведение численного моделирования. основополагающим методом расчета функции ослабления для однородных радиотрасс над гладкой сферой [62]: приема сигнала над поверхностью Земли. Параметры ts являются корнями (нулями) трансцендентного уравнения: где w(t) и w (t) - функция Эйри, определяемая уравнением Эйри w"(t)w(t)=0, и ее производная соответственно. Основной трудностью при расчетах является вычисление корней в ряде В.А. Фока. В работе [66] подробно рассмотрена методика расчета функции ослабления. W по ряду Фока над сферической земной поверхностью с произвольным поверхностным импедансом, отвечающим физически осуществимым слоистым структурам. Эффекты, связанные со слоистым строением Земли, особенно проявляются в ОНЧ-НЧ-СЧ диапазонах.
Отметим, что сильноиндуктивные импедансы в области -90 argS -45 возможны только у слоистых подстилающих сред. Формула Калинина-Фейнберга. Исследования распространения НЧ - СЧ земных радиоволн на равнинных и гористо-лесистых трассах показали, что процесс распространения наиболее точно описывается с использованием модели многокусочной импедансной радиотрассы [61,67]. Для расчета функции ослабления W над гладкой многокусочной трассой с учетом электрических неоднородностей целесообразно использовать формулу Калинина-Фейнберга, представляющую собой многократное суммирование однородных функций ослабления. Формула Калинина-Фейнберга дает возможность получить устойчивое численное решение для протяженных радиотрасс на произвольной-длине волны НЧ-СЧ диапазонов. Запишем выражение функции ослабления W для трассы, составленной из трех однородных импедансных участков [63]: здесь в0- угловое расстояние ( %=#i + &+#3); параметры qu q2, qz определяют электрические свойства каждого из трех участков; tk(q{), ti{q2), tm(q3) являются для каждого из импедансных участков нулями трансцендентного уравнения (2.2). Параметр qt связан с поверхностным импедансом 8,- соотношением трасс. Расчеты по формуле Калинина-Фейнберга позволяют определять спектральные характеристики импедансного канала распространения для очень протяженных трасс даже на высоких частотах СЧ диапазона. методом расчета функции ослабления над геометрически и электрически неоднородными трассами является метод численного решения интегрального уравнения Хаффорда [64]:
Многоканальный регистратор естественного импульсного электромагнитного поля Земли (станции "Катюша-5" и МГР-01)
Многоканальный регистратор (станция "Катюша-5") разработки Томского политехнического университета предназначен для круглосуточных-непрерывных наблюдений за естественным импульсным электромагнитным полем Земли (ЕИЭМПЗ) в ОНЧ диапазоне: горизонтальной магнитной компоненты в двух взаимно - перпендикулярных направлениях приема "север-юг" и "запад-восток", горизонтальной электрической компоненты, а также микросейсмических шумов (МСШ) Земли, электрического поля атмосферы (ЭПА) и электротеллурического тока (ЭТТ). Структурная схема многоканального регистратора [30,76] представлена на рис. 2.10. Интенсивность импульсного потока ЕИЭМПЗ измеряется двумя идентичными каналами для приема горизонтальной магнитной компоненты поля в двух взаимно-перпендикулярных направлениях приема (HI - "север-юг" и Н2 -"запад-восток") и одним каналом для приема горизонтальной электрической компоненты (Ег). Магнитная компонента ЕИЭМПЗ измеряется на центральной частоте 14 кГц с полосой пропускания 4 кГц при чувствительности станции по входу не хуже 100 мкВ. Станция питается от сети переменного тока напряжением (220 ± 22) В, частотой (50 ± 0,5) Гц и содержанием гармоник до 5%. Мощность, потребляемая станцией, не превышает 400 Вт. Автоматизированный многоканальный регистратор введен в эксплуатацию в мае 1997 г. на опытно-экспериментальной базе Отдела физических проблем БНЦ СО РАН "Верхняя Березовка", затем в мае 2000 г. перенесен в район п. Надеино в 32 км от г. Улан-Удэ. В силу того, что на ранних стадиях исследований в Томском, политехническом университете была установлена импульсная природа электромагнитного сигнала, при измерениях применена методика счета импульсов, превышающих пороговое напряжение. Станция "Катюша-5" регистрирует следующие параметры: 1) количество превысивших заданный порог импульсов магнитной компоненты ЕИЭМПЗ по двум направлениям приема "запад-восток" - N(hl) и "север-юг" -N(h2), зарегистрированных за каждые 10 секунд измерений; амплитуды первых импульсов, пришедших за данные 10 секунд измерений; 2) количество превысивших заданный порог импульсов электрической компоненты ЕИЭМПЗ - N(E) за каждые 10 секунд измерений; 3) количество импульсов, превысивших заданный порог, и интегральные значе-. ния амплитуд всех импульсов МСШ, зарегистрированных за каждые 10 секунд измерений - N(MCIII); 4) мгновенные значения ЭТТ, измеренные с интервалом 10 секунд; 5) мгновенные значения ЭПА, измеренные с интервалом 10 секунд.
В процессе работы станции на экран монитора персонального компьютера выводится следующая информация: - графики суточных ходов интенсивности импульсного потока Н-компоненты ЕИЭМПЗ по двум каналам за предшествующие трое суток и текущие сутки; - графики амплитудного распределения импульсов Н-компоненты по двум направлениям приема за текущий час; - графики суточных ходов интенсивности и амплитуды МСШ; - график суточных ходов интенсивности горизонтальной электрической компоненты ЕИЭМПЗ; - графики мгновенных значений ЭТТ и ЭПА за текущие сутки. По мере поступления измеренные значения сразу пишутся на жесткий диск персонального компьютера. Таким образом, при непредвиденных сбоях системы не происходит потери данных. Программное обеспечение организует данные в компактном формате в отдельный файл каждые сутки, после разархивации можно получить два вида данных: развернутую таблицу измерений с интервалом в 10 сек и короткую таблицу с усредненными в течение часа 10-секундными измерениями. На рис. 2.11 приведен пример суточных ходов магнитной компоненты ЕИЭМПЗ по направлениям приема "запад-восток" - N(hl) и "север-юг" - N(h2), микросейсмических шумов N(MCUI) и горизонтальной электрической компоненты N(E), измеренных станцией "Катюша-5" в пункте наблюдения "Верхняя Березовка" в августе 1997 г. Усовершенствованной моделью автоматизированной станции "Катюша-5" является многоканальный геофизический регистратор МГР-01 разработки ИМКЭС СО РАН. МГР-01 включает в себя датчики магнитной Н и электрической Е компонент ЕИЭМПЗ на частоте около 14,5 кГц, источник питания и блок сбора и предварительной обработки аналоговых сигналов, который подключен к управляющему компьютеру [77]. Блок состоит из микроконтроллерного устройства управления, двух измерительных каналов Н-компоненты и одного измерительного канала Е-компоненты ЕИЭМПЗ. Каждый измерительный канал имеет собственный микроконтроллер типа ADuC812BS!, что позволяет избавиться от многих дискретных элементов и микросхем, таких как счетчики импульсов; источники опорного напряжения, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т.д., что повышает надежность аналоговой части схемы (рис. 2.12). экспериментальной базе "Верхняя Березовка" в окрестности г. Улан-Удэ, где с 31 марта 2008 г. проводится круглосуточный мониторинг ЕИЭМПЗ: измеряются интенсивность потока импульсов по двум взаимно-перпендикулярным каналам "север-юг" (С-Ю) и "запад-восток" (3-В) Н-компоненты и одному каналу Е - компоненты, превысивших по амплитуде заданный оператором порог срабатывания, и амплитуды импульсов по Н -компоненте [78]. Кроме этого, "оцифровываются" импульсы по Е - компоненте, что дает возможность изучения их формы и спектральных характеристик. В. результате многолетних наблюдений создан банк данных круглосуточных измерений магнитной и электрической компонент ЕИЭМПЗ, МСШ, ЭТТ и ЭПА в Байкальской Сибири. 1). Из большого количества методов сейсмоэлектромагнитных исследований для изучения геоэлектрического строения земной коры и происходящих в ней. геодинамических процессов выбраны 1) радиоимпедансный метод, 2) радиокомпарирование поля, 3) метод счета ОНЧ-импульсов. 2).
Предложен способ определения поверхностного импеданса двухслойной структуры "диэлектрик на проводнике" по величине электропроводности проводника и толщине диэлектрика. Из выражения импеданса двухслойной среды S = 6В - ikh7 следует простой способ определения поверхностного импеданса структуры "лед-соленая вода": достаточно измерить электропроводность ув пробы соленой воды кондуктометром и толщину слоя льда кл по данным бурения. 3). Предложена методика радиокомпарирования поля на одинаковом удалении от источника и при разных углах пеленга, позволяющая наиболее достоверно определять влияние электрических свойств и рельефа подстилающей среды на распространение земных радиоволн. Особенностью геоэлектрического разреза Байкальской Сибири является сложное пространственное распределение электропроводности в земной коре, обусловленное его геолого-тектоническим строением. Детальное знание электрических свойств и пространственного расположения различных комплексов горных пород необходимо при решении задач распространения СНЧ-ОНЧ-НЧ электромагнитных эмиссий в неоднородных средах с границами раздела сложной формы. В расчетах нами принята геоэлектрическая модель земной коры, исходящая из представления о наличии однородных в-геологическом отношении областей (геоблоков), в пределах каждой из которых геоэлектрический разрез принимается горизонтально-слоистым [51]. Принятая геоэлектрическая модель является сравнительно грубой аппроксимацией геологической реальности. Вместе с тем познавательные способности ее еще не исчерпаны, так как для характеристики значительных по размерам зон, определяющих основные особенности геоэлектрического разреза, в первом приближении можно ограничиться оценкой некоторого среднего поверхностного импеданса 5 или эффективного сопротивления /?„ Оценка влияния отклонения реального геоэлектрического строения от принятой модели не проводилась. Рассмотрим геоэлектрический разрез и электрические характеристики различных типов природных слоистых сред (включая водную среду) на территории Байкальской Сибири.
Электрические характеристики впадин и горных сооружений
В литературе по радиофизике и распространению радиоволн диапазон изменения электропроводности подстилающей среды находится в интервале 4-Ю"3 См/м (редко 10"4 См/м). Такие данные справедливы, в основном, для. равнинных территорий, покрытых чехлом осадочных отложений. Кристаллические массивы, достигающие сотен километров в длину и ширину, как выходы на дневную поверхность "высокоомного" фундамента изучены пока еще слабо и работы по их электромагнитной диагностике актуальны [51]. 3.2.1. Электрические свойства осадочных комплексов Экспериментальные работы по изучению локальных электрических параметров различных типов осадочных пород проведены методами РЭМЗ и ВЭЗ [34,51]. Обобщенные электрические характеристики различных типов осадочных горных пород для ОНЧ- составляет около 500-600 м, достигая иногда 900-1300 м. Особенностью внутреннего строения впадин северо-восточного фланга Байкальской рифтовой зоны является наличие, в основании этих впадин мощной зоны дробления, проникающей на глубину 1-3 км. В пределах рифтовых впадин (Муяканской и др.) толщина осадочного чехла незначительна - 100-150 м. Частотные зависимости 5, arg8, р„ девяти основных впадин Байкальской рифтовой зоны в диапазоне 3-300 Гц показаны на рис. 3.3, цифры у частотных кривых соответствуют порядковому номеру в табл. 3.3. В целом отмечается широкий диапазон изменения 5, argS и р . При этом фаза импеданса argd имеет не только слабоиндуктивные, но и сильноиндуктивные значения, характерные для-разреза типа pi pj (Баргузинская и Тункинская впадины). Для впадин наблюдается различный/тип частотной зависимостир: уменьшение/ с ростом частоты (Токкинская, Чарская, Муяканская впадины); увеличение /?,_ с ростом частоты (Муйская впадина); наличие минимума или максимума pj (Нижнеангарская, Верхнеангарская впадины). Расчеты многослойных сред "осадочные породы на кристаллическом фундаменте", приведенные на рис. 3.3, показывают основные особенности частотных зависимостей д и р„ впадин рассматриваемого региона. Таким образом, получены геоэлектрические модели впадин Байкальской рифтовой зоны, пригодные для использования в СНЧ-ОНЧ-НЧ диапазонах. Под геоэлектрической моделью однородной в геологическом отношении области мы понимаем: 1) геоэлектрический разрез, представленный оценками математического ожидания pj, hy, 2) частотные зависимости 5, argS и р в заданном диапазоне частот, полученные по геоэлектрическому разрезу. Анализ частотных зависимостей д и р различных комплексов горных пород региона (табл. 3.3, рис. 3.3) показывает отчетливую дифференциацию их электрических параметров. Средние частотные зависимости характеризуют однородную в геологическом отношении область в целом, они описывают некоторую наиболее вероятную модель геоэлектрического строения впадины или кристаллического массива [79]. В литературе очень мало работ, посвященных электрическим свойствам кристаллических пород в условиях их естественного залегания. В гористых районах Земли на поверхность выходят кристаллические породы с электропроводностью 10 - 10"5 и даже до а = 10 6 См/м. Детальную информацию о приповерхностной электропроводности кристаллических горных пород дают данные радиоимпедансного зондирования в СНЧ-ОНЧ-НЧ диапазонах и ВЭЗ. На рис. 3.4 представлены кривые ВЭЗ, полученные на Северо-Байкальском гранитоидном массиве [51]. Уже на малых разносах кажущееся сопротивление рк составляет 115 кОм-м, а на больших разносах оно не опускается ниже 10 кОм-м. Кристаллические горные породы (граниты, базальты, сиениты, доломиты) отличаются более низкими проводимостями, чем осадочные породы.
Верхняя часть геоэлектрического разреза кристаллических пород обычно разрушена и обводнена, ей соответствуют максимальные проводимости. Геоэлектрический разрез монолитных скальных пород чаще всего типа р\ р2 или pi р2 ръ при р\ = 125 - 840 Омм, р2 = 400 - 6250 Омм, /2,=4-30 м. карьерах и перевалах дали значения 5=0,104-0,198; argd = -21-(-39), для разрушенных кристаллических пород S=0,044-0,078; argd = -25-(-40). Для монолитных пород эффективное сопротивление достигает 660 — 10000 Ом-м, для разрушенных 125 - 500 Ом-м, наблюдается уменьшение эффективного сопротивления с ростом частоты. Рассмотрим более детально поверхностный импеданс и эффективное сопротивление кристаллических комплексов горных пород в СНЧ-ОНЧ диапазонах. С точки зрения электромагнитных характеристик породы земной коры в подавляющем большинстве случаев являются немагнитными, а относительная диэлектрическая проницаемость є в среднем для большинства пород порядка 10. В СНЧ-ОНЧ диапазонах можно пренебречь токами, смещения по сравнению с токами проводимости, поэтому основным параметром является электропроводность а горных пород (или удельное электрическое сопротивление р = На). Электропроводность пород вблизи поверхности Земли зависит от литолого-петрографических характеристик" породы, ее трещиноватости и влагонасыщенности и изменяется, в основном, в пределах 10" — 10" См/м. В связи с многообразием геолого-геофизических особенностей и геоэлектрических характеристик в различных регионах по имеющимся литературным сведениям трудно дать оценку поверхностного импеданса многих участков земной коры в СНЧ-ОНЧ диапазонах из-за малого количества данных о геоэлектрическом строении земной коры до глубины 20 км и более [79]. По региональным геолого-геофизическим материалам выделены четыре основных комплекса кристаллических горных пород в СНЧ-ОНЧ диапазонах, характерные для Байкальского региона со сложным геолого-тектоническим строением. Статистические оценки удельного электрического сопротивления-(УЭС) монолитной толщи кристаллических пород по данным ВЭЗ приведены в табл. 3.4 (/?са, pcs. - среднеарифметическое и среднегеометрическое значения/?; 0"Р 0"ig р - среднеквадратичное отклонение р и lg р. осадочных комплексов горных пород региона показаны на рис. 3.5. Частотная зависимость модуля приведенного поверхностного импеданса \8\ = af1, где для" различных комплексов горных пород а и п изменяются в пределах а = (3,5- 8,25)-10"4, п = 0,4 - 0,5,/- частота в Гц. Фаза поверхностного импеданса argS зависит от соотношения параметров конкретного геоэлектрического разреза. Для наиболее часто встречающихся на кристаллических массивах геоэлектрических разрезов типа pj pj+j характерны слабоиндуктивные значения импеданса (argd -45, Red \1тд\) и уменьшение эффективного сопротивления р с ростом частоты. Существенное влияние слоя рыхлых отложений и коры выветривания на величины S и /?_ отчетливо проявляется на частотах 30 — 300 Гц при толщине зоны дезинтеграции более 50-100 м. Полученные статистические характеристики позволяют оценить степень геоэлектрической неоднородности однотипных в геологическом отношении комплексов. Коэффициент вариации сг5/ рассмотренных комплексов горных пород составляет 17-29%, он увеличивается по мере уменьшения эффективного сопротивления /з_ В итоге интерпретации и статистической обработки материалов электроразведки получены значения поверхностного импеданса и эффективного сопротивления для разнотипных геологических формаций и комплексов горных пород; для основных тектонических структур выделены
