Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Общие закономерности в распрещелении морских магнйтоіеллурйческих полей 23
I. Представления о постоянной составляющей токов проводимости в Земле 23
2. Результаты измерений постоянной составляющей теллурических токов в Северном Ледовитом и Атлантическом океанах 29
3. Современное состояние вопроса о постоянной составляющей и понятие электромагнитного поля Мирового океана 46
4. Геоэлектрическая характеристика Мирового океана 55
5. Характеристика магнитотеллурического поля на поверхности океана 61
6. Электромагнитное поле в слое воды от приподня того источника линейного типа (модель Прайса-Уайта) 67
7. Электромагнитное поле токовой нити над неоднородной структурой (модель Уивера-Томаса) 70
8. Основные закономерности в распределении электромагнитных вариаций в слое воды 76
9. Исследование вертикальных токов в океане 85
10. Влияние теллурических токов на поведение рыб. 98
ВЫВОДЫ 109
ГЛАВА II. Методические основы морских магнитотеялурйческих исследований III
I. Роль морских электромагнитных зондирований в изучении внутреннего строения Земли III
2. Классификация установок для морских электро магнитных зондирований 117
3. Градиентные зондирования при трехслойном разрезе 125
4. Градиентное магнитное зондирование 128
5. Об использовании модульных магнитометров в установках для морского зондирования 142
6. ЭДС индукции в контуре электрической установки.. 152
ВЫВОДЫ 163
ГЛАВА III. Электромагнитное зондирование в северном ледовитом океане 164
I. Геолого-геофизическая характеристика Северного Ледовитого океана 164
2. Особенности кривых электромагнитного зондиро
вания в ближней зоне полярной электроструи 169
3. Применение локальных МВЗ внутри зоны полярных сияний 174
4. К вопросу о влиянии геоэлектрических неоднородностей в Северном Ледовитом океане 180
5. Морское магнитотеллурическое профилирование... 189
6. Практические результаты глубинных зондирований. 193
ВЫВОДЫ 208
ЧАСТЬ II. Электромагнитные поля гидродинамического происхождения
ГЛАВА ІV. Электромагнитные поля морского волнения 210
I. Постановка задачи об электромагнитном поле морских поверхностных волн 210
2. Электромагнитное поля при трехслойном геоэлектрическом разрезе
3. Магнитное поле трехмерной волны в воздухе 223
4. Магнитные поля волнения на суше, около береговой черты 234
5. Экспериментальные исследования электромагнит ных полей морского волнения 236
б. Электромагнитные эффекты акустических волн в
океане 254
7. Влияние электрических полей волн и течений на
рыб 258
ВЫВОДЫ 266
ГЛАВА V. Использование электромагнитных полей гидродинамического лроисховдения в океанографии 267
I. Электромагнитный измеритель течений 267
2. Измерения с неподвижной платформы 282
3. Электромагнитный измеритель дрейфа льда 288
4. Электрическое поле двумерной прогрессивной волны 295
5. О природе волновых помех на записи ЭМИТа 300
6. Определение элементов волнения с помощью буксируемой электродной линии 305
7. Измерение длины волны и длины гребня 306
8. Измерение ротора скорости движения воды. 310
9. Возможности глубинного зондирования на полях течений. 312
Выводы 320
Заключение 321
Литература
- Результаты измерений постоянной составляющей теллурических токов в Северном Ледовитом и Атлантическом океанах
- Классификация установок для морских электро магнитных зондирований
- К вопросу о влиянии геоэлектрических неоднородностей в Северном Ледовитом океане
- Магнитное поле трехмерной волны в воздухе
Введение к работе
В Постановлении ХХУ съезда КПСС об основных направлениях развития народного хозяйства СССР говорится о необходимости:"Расширить комплексные исследования Мирового океана. Расширить изучение земной коры и верхней мантии Земли в целях исследования процессов формирования и закономерностей месторождений полезных ископаемых. Шире развернуть геологоразведочные работы в шельфових зонах морей и океанов, в первую очередь на нефть и газ" [lJ . В Материалах ХХУІ съезда КПСС ставится вопрос об "изучении строения, состава и эволюции Земли, биосферы, климата, Мирового океана, включая шельф" [z] .
Актуальность работ, связанных с Мировым океаном, обусловлена все возрастающей его ролью в жизни человечества. Это полностью относится к настоящей работе.
Электромагнитное поле Мирового океана, как физическое явление, изучается магнитологами, геоэлектриками и океанологами. Оно используется для исследования строения дна океана и его водной оболочки. В этом и заключается его практическая роль. Геофизические методы, в том числе электроразведка, играют ведущую роль в исследованиях геологического строения дна. Морские электромагнитные зондирования разделяются на разведочные и глубинные. В разведочном варианте обычно изучается строение осадочного чехла на дне внутренних морей и в шельфовых областях океанов на глубину от десятков метров до нескольких километров с целью поиска нефте-газо-вых и россыпных месторождений. Методы, использующие естественные электромагнитные поля - магнитотеллурическое и магнитовариацион-ные зондирования, являются наиболее глубинными методами электроразведки. При глубинных исследованиях решается комплекс задач, связанных с изучением особенностей глубинного (до нескольких сот километров) геоэлектрического строения определенного региона. В отличие от некоторых геофизических методов морские магнитотеллу-рические и магнитовариационные зондирования безвредны для ихтиофауны. Методы морских электромагнитных зондирований по своей оперативности не могут конкурировать, например, с морской магнитной съемкой. Применяемое оборудование у нас все еще является относительно дорогим и громоздким. Поэтому выбор места для зондирований, конкретность задачи и методика приобретают первостепенное значение.
Электромагнитные поля в морях и океанах представляют собой совокупность полей различных источников. Отметим специфические особенности в исследованиях морских электромагнитных полей.
Агрессивность морской среды, штормы и течения, химическая активность воды, громадные давления, труднодоступность твердого основания - дна - все это предъявляет новые требования к аппаратуре и методике. Отсюда также следует значительное увеличение стоимости работ по сравнению с работами сухопутными.
Морская вода - хороший проводник электричества. Поэтому морские токи имеют большую плотность и, как следствие этого, магнитные эффекты их значительны. Слой морской воды представляет совершенный экран для высокочастотных колебаний. Интенсивность более длиннопериодных колебаний на дне в той или иной степени ослаблена.
Возможность постановки приборов на разных глубинах. Это обстоятельство является благоприятным, так как расширяет методические возможности зондирования. Приборы относительно геоэлектрических неоднородностей могут быть расположены произвольным образом.
Возможность проведения абсолютных электрических измерений, что позволяет исследовать не только вариации, но и постоянные _ 8 - или медленно меняющиеся электрические поля.
5. Наличие специфических электрических и магнитных полей, обусловленных гидродинамическими, физико-химическими и биоэлектрическими процессами.
Если бы мы научились измерять и интерпретировать электрические поля физико-химического и биоэлектрического происхождения, то получили бы мощное средство изучения водной толщи океана. Однако, результаты изучения таковы, что перспективы использования полей этого типа остаются во многом неопределенными. Что же касается полей гидродинамического происхождения, то ситуация здесь иная. Уже сейчас ясно, что электромагнитные поля течений и волн являются существенными помехами при магнитотеллурических исследованиях. Сами поля несут информацию об источнике, т.е. об элемен-тых течений и волн, которые создают электромагнитные поля. Вырисовываются перспективы использования этих полей для изучения геоэлектрического разреза.
В последние годы формируется новое прикладное направление в морских исследованиях - изучение влияния электромагнитных полей на ихтиофауну, в частности, на рыб. В Советском Союзе в формировании этого направления со стороны геофизиков принимали участие И.И. Рокитянский, В.И. Почтарев, B.C. Шнеер, A.M. Городницкий и некоторые другие.
Отметим основные вехи в развитии морских электромагнитных исследований. Начало им положил великий английский физик М. Фарадей. В 1832 году на заседании Королевского общества он прочитал лекцию "Земная магнитоэлектрическая индукция", в которой показал, что при движении воды в магнитном поле Земли в морях и океанах возникнуть электрические токи [з] . Ученый сам пытался измерить электрический ток в реке Темзе, опуская электроды с моста Ватерлоо. Однако, все его попытки оказались безуспешными из-за несо- вершенства измерительной аппаратуры. Тем не менее М. Фарадей еще при жизни застал сообщение об удачных измерениях электрических полей приливных течений в Английском канале, выполненных в 1851 году С. Волластоном [а] . М. Фарадей также изучал электрические поля морских рыб. Свои опыты он проводил на мраморном электрическом скате. М. Фарадей доказал, что биоэлектричество ничем не отличается от других видов электричества. В 1838 году М. Фарадей определил структуру электрических полей у сома и угря / 128/.
Пионером в исследованиях морских теллурических токов является советский ученый, ихтиолог по образованию, А.Т. Миронов/ 5-7/. Исследуя поведение морских рыб в воде, он обнаружил у них хорошо выраженный электротаксис - способность реагировать на направление электрических полей в морской воде. Это навело А.Т. Миронова на мысль о том, что в морях должны существовать естественные электрические токи. Требовалось преодолеть предубеждение геофизиков, считавших, что в морской воде, которая является хорошим проводником, не могут возникать разности потенциалов, достаточные для регистрации электроизмерительной аппаратурой. Измерения, проведенные в 1935 году в заливах Мурманского побережья, подтвердили догадку А.Т. Миронова о наличии там значительных электрических полей. Это послужило началом исследований теллурических токов в Баренцевом море, а затем и в Черном море. Постоянную составляющую теллурических токов в море А.Т. Миронов считал определяющим фактором при массовых миграциях рыб, ориентирующихся при своих передвижениях по линиям тока в океане. Весьма важным был вывод А.Т. Миронова о связи токов в море с вариациями магнитного поля Земли и с солнечной активностью. Работы А.Т. Миронова были продолжены академиком В.В. Шулейкиным и его учениками [Q-IQj . Основное направление их работ в течение более чем двух десятилетий было связано с постоянной составляющей теллурических токов и аномальным геомаг- нитным полем Земли.
В 1946-50 годы американским ученым фон Арксом был разработан ГЕК - геомагнитный электрокинетограф - устройство, измеряющее скорость морских течений на ходу судна [ll] . Отечественный образец такого прибора, называемого у нас ЭМИТом или электромагнитным измерителем течений, создан В.В. Новышем /12/ . Работы по исследованию возможностей электромагнитных способов измерения скоростей послужили стимулом для изучения естественных электрических полей в океане, в первую очередь, электрических полей течений. Из ученых, работающих в этой области в пятидесятые годы, отметим из зарубежных М. Лонге-Хиггинса, М. Стерна и Г. Стоммела /13_/, а из отечественных академика А.Н. Тихонова, Ю.М. Михайлова, А.Г. Свешникова и В.В. Гласно [l4-Ib],
Впервые на возможность практического использования магнито-теллурических полей в море обратил внимание в 1953 году Л. Кань-яр, который наряду с академиком А.Н. Тихоновым, заложил основы магнитотеллурических методов зондирования /l7j . Л. Каньяром предложена градиентная электрическая установка. Кроме того, он же высказал идею разнесенной регистрации электрического и магнитного полей, когда электрическое поле регистрируется внутри водного слоя, а горизонтальные составляющие магнитных вариаций - на берегу. В настоящее время у нас в стране и за рубежом исследованиями электромагнитных явлений в морях и океанах занимается большой отряд ученых. В СССР работы такого рода проводятся в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР, в Институте Океанологии АН СССР, в Тихоокеанском океанологическом институте ДВНЦ АН СССР, в Сахалинском комплексном НИИ ДВНЦ АН СССР, в Сахалинском комплексном НИИ ДВНЦ АН СССР, в Морском гидрофизическом институте АН УССР, на кафедре физики земной коры Ленинградского университета, на кафедре гидрофизики Дальневосточного университета и т.д. По совокупности полученных результатов, - II - в первую очередь, следует отметить из советских ученых В.В. Соче-льникова, М.Н. Бердичевского, М.С. Жданова, Л.Л. Ваньяна и И.Л. Трофимова, а из зарубежных Ч. Кокса, Д. Ларсена и Д. Филлоу. Их работы неоднократно упоминаются в дальнейшем и читатель легко найдет их в списке цитированной литературы. В известной монографии В.В. Сочельникова "Основы теории естественного электромагнитного поля в море", написанной на основе соответствующей докторской диссертации, большое внимание уделяется общим для суши и моря вопросам теории магнитотеллурического поля с учетом сферичности Земли. Экспериментальный материал в монографии представлен в очень незначительном объеме. Наша же работа носит,в основном, экспериментальный характер. Кроме того, часть вопросов, рассмотренных у нас,в работе В.В. Сочельникова не рассматривались вообще.
Остановимся на некоторых общих важных результатах последних лет в области магнитотеллурических исследований. Наряду с индукционным возбуждением теллурических токов сейчас серьезно рассматривается гальванический тип возбуждения (ТМ-волна). По данным В.И. Дмитриева, ошибки в определении импеданса при приближении ТМ-волны должны быть невелики /l8_/ , но необходимы экспериментальные работы, которые бы внесли количественную определенность в вопрос о соотношении индукционного и гальванического типов возбуждения. Этот же вопрос стоит и в исследованиях электромагнитных полей гидродинамического происхождения.
Большим достижением следует признать разработку М.Н. Берди-чевским, Л.Л. Ваньяном, Э.Б. Файнбергом, Н.М. Ротановой метода глобального магнитовариационного зондирования /l9j . С помощью этого метода по данным магнитных обсерваторий получен осреднен-ный "континентальный" геоэлектрический разрез. Метод спектральных импедансов, наиболее полно описанный в монографии В.В. Сочельникова, в перспективе должен найти применение в морских иссле- - 12 -дованиях при зондированиях на полях течений и при крупномасштабных магнитотеллурических площадных наблюдениях.
Л.Л. Баньяном предложен метод локального магнитовариационно-го зондирования /20/ . Этот метод существенно дополняет наши возможности также и при производстве морских электромагнитных зондирований.
Важный экспериментальный результат был получен в I960 году Л.Н. Жигаловым. Им установлено, что с увеличением глубины океана вариации вертикальной составляющей уменьшаются и даже исчезают совсем /21/ . Р. Роден оценил влияния океана на магнитные вариации с периодами б, 12 и 24 часа. В качестве первичного поля были взяты вариации вертикальной составляющей. Для бегущей волны отмечается ассиметрия в аномальных эффектах: эти эффекты больше на восточном берегу и меньше на западном крае океана /227
Совокупность электромагнитных явлений, связанных с границей континент-океан, получила название "берегового эффекта", изучение которого является важной составной частью морских электромагнитных исследований. Береговой эффект зависит от контраста электрических проводимостей суши и моря, от формы береговой черты, от геоэлектрических разрезов, от рельефа дна и т.д, что свидетельствует о его сложности. Со времени открытия в Антарктиде СМ. Мансуровым и П.К. Сенько берегового эффекта по настоящее время число работ, посвященных ему, исчисляется многими десятками. В Советском Союзе наиболее детальные исследования берегового эффекта проведены на Дальнем Востоке Л.Л. Баньяном и Б.Е. Мардерфельдом с соавторами /.23/ . Автор настоящей работы был в числе первых, заявивших о береговом эффекте на международном симпозиуме /24_/ . И в дальнейшем он был соавтором ряда статей на эту тему. , В целях сохранения стройности изложения и из опасения чрезмерного увеличения объема, автор диссертационной работы не включил в нее резу- - ІЗ - льтаты, относящиеся к исследованию берегового эффекта. Изучение берегового эффекта является частной задачей электродинамики неоднородных сред. Сюда же относятся задачи изучения аномальных электромагнитных полей, создаваемых морскими геоэлектрическими неод-нородностями. Решение такого типа задач представляется в настоящее время делом чрезвычайно актуальным. Вначале расчеты морских магнитотеллурических полей были ограничены результатами В.В. Со-чельникова и А.Я. Гольмштока, которые в несколько видоизмененной форме использовали метод интегральных уравнений В.И. Дмитриева и Е.В. Захарова /25у . В последнее время в МГУ и ИЗМИРАН были выполнены расчеты аномальных электромагнитных полей над типичными структурами дна океана (глубоководные желоба, подводные горы и т.д.). Анализ электромагнитных аномалий над типичными океаническими структурами проведен О.Н. Ждановой и М.Н. Бердичевским /26у . Исследования аномальных электромагнитных полей в Земле подытожены в фундаментальной монографии М.Н. Бердичевского и М.С. Жданова \2з].
Теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных полей морского волнения были начаты за рубежом раньше, чем в Советском Союзе /"28, Z9J. В качестве теоретической модели использовалась потенциальная волна в самых разнообразных вариантах: без учета и с учетом самоиндукции, внутренняя и поверхностная, двумерная и трехмерная / ЗО7 . Наиболее детальный и в то же время достаточно общий анализ электромагнитных полей потенциальных волн провели В.В. Сочельников и А.Я. Гольмшток / 31/ . Новые возможности в изучении электромагнитных полей волнения открылись, когда начались наблюдения в прибрежной зоне, начатые по инициативе В.Н. Митрофанова, Л.М. Абрамовой и B.C. Бычкова/32/ . В теоретическом аспекте в то же время была предпринята удачная попытка перехода к изучению модели электромагнитного поля вихрево- . 14 - го волнения Отметим также работу М.М. Богородского, в которой рассматривается связь между гидродинамическими параметрами волнения, заданного в виде двумерного спектра и электрическим полем, которое выражается также в спектральной форме /Зб/. В области изучения электромагнитных полей течений важным элементом явилось описание B.C. Шнеером и С. Малиным лунно-суточных вариаций океанического происхождения по данным береговых обсерваторий/ 37, 38/ . Попытка объяснения выхода магнитного поля приливных течений на поверхность была сделана С. Чепменом и П. Кендаллом /39у, однако, эта задача еще требует своего корректного решения. Т. Сан-фордом в общем виде дано решение задачи об электромагнитном поле течения произвольного вида . В.В. Сочельниковым и А.Я. Голь-мштоком показано, что при некоторых условиях импеданс, определенный по полю течения, не отличается от магнитотеллурического импеданса /зі/ . А.Б. Лейбо и В.Ю. Семеновым показано, что индукционная часть поля течений (ТЕ-волна) обусловлена наличием вертикальной составляющей скорости, а гальваническая СШ-волна) - ротором скорости /41/ . Принципиальная задача об электрическом профилировании слоя осадков в океане была решена СМ. Коротаевым, B.C. Шнеером и И.Л. Трофимовым /42, 43J . Нельзя не отметить новые результаты, полученные в изучении некоторых "малоизвестных" эффектов. К ним относится работа А.Б. Лейбо, посвященная электрокинетическим эффектам, обусловленным относительным перемещением взвешенных частиц, переменным давлением на дно моря и движением жидкости в придонном слое [44J . Большой интерес вызывает обнаруженный A.M. Городницким с соавторами "биоэлектрический эффект" /45_/ . Природа этого эффекта связана с образованием электрических потенциалов порядка нескольких милливольт в местах скопления планктона. И, наконец, отметим результаты СМ. Коротаева, полученные при изучении электромагнитного фильтрационного поля субмаринных источников 142], Необходимость экспериментальных исследований морских элекромаг- нитных полей потребовала разработку специальной аппаратуры. Традиционная аппаратура в наземном исполнении для решения специфических морских геофизических задач была пригодна только в некоторых случаях (работа на островах, в прибрежных зонах, на припайных и дрейфующих льдах). Поскольку в наиболее информативных вариантах морских магнитотеллурических исследований требуется регистрировать вариации тех или иных компонент электромагнитного поля на дне водного бассейна, когда отсутствует возможность непосредственного вмешательства человека в настройку аппаратуры в процесс измерения, то основной отличительной чертой такой аппаратуры является ее полная автономность. Ввиду сложности и специфичности требований, предъявляемых к донной магнитотеллурической аппаратуре, она пока реализована лишь в виде единичных, уникальных экземпляров, далеко не удовлетворяющих потребности геофизической разведки и океанологии. Отметим разработки такой аппаратуры, с которой были получены практические экспериментальные результаты.
Ю.М. Полонским (ЮЖморгео) разработана и испытана автономная . донная пятикомпонентная станция для магнитотеллурических исследований на шельфе [4&J . Датчиками электрического поля служат линии длиной в несколько сот метров с неполяризующимися электродами. Датчики магнитного поля - магнитные вариометры с индукционными преобразователями. Станция испытывалась на Балтийском, Каспийском и Черном морях; получены экспериментальный материал для разведочного варианта зондирования.
Донная, с магнитостатическими датчиками трехкомпонентная магнитовариационная станция ААНИИ (авторы Н.Д. Низяев, B.C. Шне-ер) предназначена для длительной автономной регистрации на глубинах до 5 км /47_/ . С помощью этой станции наблюдались вариации магнитного поля на дне пролива Ермак в архипелаге Земля Франца-Иосифа.
О.М. Пятибратом (ИЗМИРАН) разработана и изготовлена трехком-понентная донная автономная феррозондовая станция /48J. Станция использовалась при магнитотеллурических исследованиях в Баренцевом, Черном, Каспийском и Охотском морях.
В.А. Мачининым (ИЗМИРАН) разработана протонная вариационная станция с разнесенными по вертикали датчиками /49/. Станция может использоваться в буйковом и плавающем вариантах. Она испытыва-лась в Каспийском и Охотском морях и были получены записи вариаций, используемые для введения поправок при морской магнитной съемке и для электромагнитного зондирования. В физико-механическом институте АН УССР создана многокомпонентная донная станция /50/. Большую работу в создании морской электромагнитной аппаратуры проводят сотрудники ИЗМИРАН В.Н. Бобров, Ю.А. Бурцев и другие.
За рубежом разработка морской магнитовариационной аппаратуры ведется в направлении усовершенствования феррозондовых магнитометров, вариометров с тонкопленочными датчиками и магнитостати-ческих вариационных станций /51/. Из электрометрической аппаратуры можно отметить "свободно падающий зонд", который благодаря специальному стабилизатору, вращается вокруг вертикальной оси при опускании и подъеме / 52/. При этом горизонтальная электродная линия длиной в несколько дециметров также вращается с частотой I гц, за счет чего существенно снижается влияние ЭДС электродов на результаты измерений. Такого рода прибор мало пригоден для магни-тотеллурического зондирования, но для измерения электрического поля в водном слое прибор такого рода имеет определенные перспективы. Для измерения электрических полей на дне океана и у нас, и за рубежом ориентируются как на длинные электродные линии, так и на измерители с малой измерительной базой/53_/ . Разработкой измерителей с малой базой или "солевых мостов" у нас занят ряд институтов (ИЗМИРАН, СНИИМ). Качество электродов играет первосте- пенную роль при измерениях электрических полей в море. Из работ, посвященных непосредственно исследованию электродов, следует отметить работы В.В. Новыша и М.М. Богородского [_ 54J.
Однако, несмотря на большое количество опробованных экспериментальных установок для измерения электромагнитных полей в морях и океанах ни в СССР, ни за рубежом не создана серийная аппаратура, пригодная для регулярных и достаточно массовых измерений. Этим, в первую очередь, объясняется скудость экспериментальных данных для акваторий.
В предлагаемой диссертации обобщены результаты научной работы автора в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР более чем за двадцатипятилетний период. Первые работы автора не вошли в диссертацию, но на их основе были сделаны все последующие работы. Нами использован экспериментальный материал, полученный в экспедициях ИЗМИРАН в Северном Ледовитом, Атлантическом, Индийском океанах, в Черном, Баренцевом, Японском, Восточно-Сибирском морях. В число экспедиций входят работы на немагнитной шхуне "Заря", антарктическая и высокоширотные арктические экспедиции, работы на гидрографических судах и т.д. Автор принимал непосредственное участие в большинстве экспедиционных работ.
Целью диссертационной работы является исследование электромагнитного поля океана, как физического явления, в прикладном аспекте - исследование возможностей использования естественного электромагнитного поля для изучения дна окена, его водной оболочки, а также влияния этого поля на ихтиофауну.
Диссертация состоит из введения, двух частей (пять глав), заключения и библиографии (250 названий). В диссертации 267 страниц текста, 90 рисунков, 9 таблиц. В работе использована практическая система единиц СИ.
В первой части излагается результаты исследований магнитотел- - 18 -лурических полей и зондирований на этих полях в океане.
В первой главе описаны общие закономерности в распределении морских магнитотеллурических полей. Природа полей этого типа на суше и в океане едина. Специфика магнитотеллурических полей в океане связана только со спецификой геоэлектрического разреза. Даны известные сведения о геоэлектрических характеристиках Мирового океана.
Проблема существования постоянной составляющей теллурических токов регионального и глобального масштабов до последнего времени оставалась дискуссионной. В области морских электромагнитных исследований эта проблема особенно актуальный характер приобрела в связи с известной гипотезой академика В.В. Шулейкина, которая, казалось, нашла экспериментальное подтверждение при измерениях электрических полей в океане. Дан критический обзор работ, относящихся к рассматриваемой проблеме, описана методика абсолютных измерений электрического поля в океане, представлены результаты измерений постоянной составляющей в Северном Ледовитом и Атлантическом океанах. В одном из парагрфов описано современное состояние проблемы. Проведенные исследования позволило уточнить понятие электромагнитного поля Мирового океана. Характеристика магнитотел-лурического поля на поверхности воды дана при помощи модели наклонно падающей плоской волны. Далее рассмотрено электромагнитное поле в слое воды. В качестве источника поля взята приподнятая токовая линия. Эта модель является одной из основных в работе, т.к. в рамках рассмотренной модели возможна реализация поверхностных, градиентных и донных установок локальных МТЗ и МВЗ. Электромагнитное поле токовой нити рассмотрено также и для неоднородной геоэлектрической структуры. В главе описаны основные закономерности в распределении магнитотеллурических вариаций в слое воды, по вертикали; сделаны оценки магнитного поля теллурических токов, текущих в слое воды. Один из параграфов посвящен измерениям вертикальных токов в океане, что позволило оценить роль гальванического типа возбуждения в общей структуре магнитотеллурического поля. В этой же главе приведены оценки влияния теллурических полей на рыб; обсуждается прикладное значение этого, нового для морских электромагнитных исследований аспекта. Проанализирована связь между уловами рыбы и геомагнитной активностью; дано экспериментальное доказательство влияния теллурических полей на рыбу.
Элементы методики морских магнитотеллурических исследований даны во второй главе. Показана роль глубинных зондирований на океанах для изучения внутреннего строения Земли. Даны классификация и анализ различных установок для электромагнитного зондирования. Наиболее подробно описан метод градиентного магнитного зондирования, предложенный автором, и приведены практические результаты зондирования, полученные с помощью этого метода. Сделаны оценки возможностей использования модульных магнитометров в различных установках для зондирования. Здесь же описаны индукционные эффекты, являющиеся помехами, в цепях установок для измерений электрических полей.
Третья глава посвящена практическим результатам морских электромагнитных зондирований. Нами были начаты в 1962 году и продолжались в течение пятнадцати лет работы по зондированию в Северном Ледовитом океане. В главе описаны особенности электромагнитных зондирований в ближней зоне полярной ионосферной электроструи и методика локальных магнитовариационных зондирований внутри зоны полярных сияний. Сделаны оценки влияния геоэлектрических неодноро-дностей на МТЗ в Северном Ледовитом океане. В главе приводятся основные результаты, полученные методами морского магнитотеллурического профилирования, магнитовариационного и магнитотеллурического зондирования.
Вторая часть диссертационной работы посвящена электромагнитным полям гидродинамического происхождения.
В первой из глав этой части приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований вихревой модели электромагнитного поля волнения, которая сменила традиционные потенциальные модели. Теоретический анализ проводится на основе решения соответствующей задачи об электромагнитном поле волнения при трехслойном геоэлектрическом разрезе. Полученные экспериментальные данные интерпретируются с позиций исследуемой модели. Здесь же приводятся оценки электромагнитного поля акустических волн в океане. Физически эти эффекты аналогичны эффектам гидродинамического происхождения. В последнем параграфе главы оценивается возможное влияние электрических полей течений и волн на рыб. Экспериментально доказано влияние электрических полей волнения на рыб и предложен механизм ориентации некоторых видов рыб по электрическому току морских течений .
В заключительной главе обсуждаются вопросы практического использования электромагнитных полей гидродинамического происхождения. Проведен анализ влияния теллурических полей на различные способы определения скоростей электромагнитными методами. Именно наличие теллурических полей, которые в данном случае являются помехами, препятствует более широкому внедрению в практику соответствующих методов. Предложены и экспериментально апробированы новые способы определения элементов волнения по его электромагнитному полю. В главе рассмотрены возможности зондирования дна океана на полях течений. Приведено решение обратной задачи для случая градиентного распределения проводимости донных пород.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.
Результаты диссертации опубликованы в статьях, опубликован- ных в советских и зарубежных изданиях: 4 статьи в "Докладах Академии Наук", 3 - в "Океанологии", 25 - в "Геомагнетизме и аэрономии", 2 - в "Известиях Академии Наук" (серия Физика Земли), по одной статье в " Nature "$ "Geophysical Surveys", "Journal of Geophysical Research", "Geomagnetism and Geoelectricity"и т.д.
В процессе работы получено одно авторское свидетельство на градиентную магнитную установку для зондирования дна океана.
Результаты работы докладывались на симпозиумах Генеральной Ассамблеи Международного Союза Геодезии и Геофизики (Беркли, 1963 г., Москва, 1971 г.), на Всесоюзном совещании по геомагнетизму и земным токам (Москва, 1965 г.), на Всесоюзном семинаре по магни-то-теллурическим исследованиям (Москва, 1965 г.), на Юбилейной сессии Ученого Совета МГИ АН УССР (Кацивели, 1966 г.), на Семинаре Океанографической комиссии АН СССР по проблеме "Методика геофизических исследований Мирового океана" (Москва, 1970 г.), на сессии Ученого Совета МГИ АН УССР (Кацивели, 1970 г.), на заседании Научного Совета по геомагнетизму АН СССР (ИЗМИРАН, 1972 г.), на I съезде советских океанологов (Москва, 1977 г.), на Всесоюзной конференции "Поведение рыб в связи с техникой рыболовства и организацией марикультур" (Клайпеда, 1980 г.), на Всесоюзном семинаре "Вопросы создания морской измерительной электромагнитной аппаратуры" (ИЗМИРАН, 1982 г.), на заседании 5 рабочей группы по электромагнитной индукции МАГА (Стамбул, 1980 г.).
Настоящая работа была бы невозможна без творческого общения с докторами наук В.И. Дмитриевым, М.Н. Бердичевским, Л.Л. Баньяном, А.Н. Пушковым, М.С. Дцановым, В.В. Сочельниковым, Б.С. Световым, И.И. Рокитянским, В.Р. Протасовым, Г.Р. Броуном, с кандидатами наук В.В. Новышем, B.C. Шнеером, И.Л. Трофимовым, В.Ю. Семеновым, Л.Б, Волкомирской, А.Б. Лейбо, Б.Е. Мардерфельдом, В.Н. Савченко, В.П. Смагиным, Н.М. Ротановой и другими. Итогом этого общения явился ряд совместных экспериментов и публикаций и я, пользуясь случаем, выражаю за это соавторам свою благодарность и признательность.
Часть I МОРСКИЕ МАГНИТОТЕМУРИЧВСКЙЕ ПОЛЯ
Результаты измерений постоянной составляющей теллурических токов в Северном Ледовитом и Атлантическом океанах
Вопросы, обсуждаемые в данном параграфе, требуют рассмотрения особенностей измерения электрических полей с движущейся платфорглы, какими является дрейфующая льдина или корабль. Применяя преобразования Лоренца к уравнениям Максвелла /60,6?/, находим формулы, связывающие компоненты электромагнитного поля при переходе от неподвижной системы координат S к подвижной S . Они имеют следующий вид:
Здесь V" - скорость относительно Земли, I) ,Е ,Н , J - соответственно электрическая индукция, электрическое поле, магнитное поле и плотность тока.
Из формул можно сделать следующие выводы: 1. Плотность тока остается одинаковой в обоих системах координат. 2. Электрическое и магнитное поля имеют различные значения в системах S и S . В системе S появляются эффекты, связанные со скоростью движения.
Сделаем оценку эффектов, обусловленных движением. Пусть V -скорость дрейфа будет 25 см/сек. Электростатическое поле, согласно /68/ имеет порядок 100 в/м. Диэлектрическая проницаемость для воздуха 590 ед CGSE . Тогда: VD = 3,5 ЯГ10 эрстед
Величина 3,5 IQ э на четыре порядка меньше чувствительности магнитных приборов, применяемых в геофизике. Следовательно, магнитными релятивистскими эффектами можно пренебречь при измерениях на дрейфующих льдинах и полагать її = Н . Произведем оценку члена 11 [V Я] . Льдина имеет только горизонтальные компоненты скорости, т.е.Уд. и Vtj , тогда как V O. 3 (I»D найдем систему из 2-х алгебраических уравнений для горизонтальных компонент электрическо-го поля: E = E+uV.H где Н - вертикальная составляющая постоянного магнитного поля Земли. Пусть Н% =0,58 э, V =25 см/сек. Электрическое поле при этом равно 14 мкв/м. Эта величина имеет тот же порядок, что и электрические поля в океане. Она значительно превосходит чувствительность применяемых электрометрических приборов. Таким образом, при исследовании электрических полей с движущихся льдов необходимо учитывать эффекты, связанные со скоростью дрейфа. Из соотношения (1.4) следует, что в движущейся системе координат измерение электрических полей является зішивалентньш измерению скорости системы. На основе последнего принципа установка для измерения электрических полей на дрейфующей льдине одновременно служит измерителем скорости льдины относительно грунта, а буксируемая электродная линия на судне измерителем скорости течения (ЭМИТ).
Остановимся на методических вопросах. При измерениях постоянных и квазипостоянных компонент естественных электрических полей основной трудностью является учет собственных ЭДС пар электродов ("0" электродов). Каждый электрод, помещенный в среду, обладает некоторым электрическим потенциалом U , обусловленным электрохимическими процессами на границе электрод-среда. Потенциал U за висит, с одной стороны, от структуры самого электрода, с другой стороны, от свойств среды (температуры, ионного состава и т.д.). При соединении двух электродов проводником между ними возникает разность потенциалов 8Э и потечет электрический ток. При измерении переменных токов, когда изменения 8Э во времени невелики влиянием собственной ЭДС электродов можно пренебречь. Для вариаций большого периода и постоянных электрических полей учет 6 з становятся необходимым.
Покажем, что при измерении стационарной 4-х электродной установкой определить искомую, абсолютную величину электрического поля невозможно. На рис.3 изображена обычная схема измерений. Пусть электроды 1,2,3,4 имеют соответственно электрические потенциалы их , U2 » U3 и U4, значения которых нам неизвестны. Требуется определить величину и направление электрического поля Е. К измерительному прибору мы можем подключить различные комбинации пар электродов.
Классификация установок для морских электро магнитных зондирований
Проведенные эксперименты показали, что чувствительность электрорецепторов в однородном электрическом поле линейно зависит от длины канала, что свидетельствует о том, что электрорецепторы функционируют как высокочувствительные биологические вольтметры.
Некоторые рыбы очень чувствительны к электрическому току. Так чувствительность угря к току в направлении, перпендикулярном к телу, 0,167.Ю" 2 мкА/сиг, тихоокеанского лосося - 0,15.10 мкА/ /см2 /"128 7.
Исследования электрорецепторов, определение чувствительности рыб к электрическим полям и токам, изучение поведения рыб в электрических полях - все эти работы проводились в лабораторных условиях. Поскольку в морях и океанах существуют свои электромагнитные поля, то возникает ряд вопросов: как рыбы реагируют на эти поля; какую роль играют естественные электромагнитные поля в жизни рыб, нельзя ли использовать знание естественных полей для прогнозирования поведения рыб. Морские магнитотеллурические поля являются звеньями в цепи солнечно-земных связей. Какую роль играют биологические объекты, в нашем случае рыбы, в этих связях? Для ответов на поставленные вопросы требуется, конечно, большая исследовательская работа. Ниже мы попытаемся частично ответить на некоторые из вопросов.
Как уже отмечалось, постоянная составляющая теллурических токов регионального масштаба с погрешностью по величине, меньшей чувствительности рыб к электрическому полю .в морях и океанах не обнаружена. Таким образом, известная гипотеза А.Т.Миронова о контролирующей роли постоянной составляющей в миграциях рыб должна быть отвергнута.
И.Рокитянским была выдвинута идея, коренным образом отличающаяся от гипотезы А.Т.Миронова fI2dJ, Ее суть сводится к следующему. Поскольку теллурические поля являются индукционными полями с разными амплитудами, периодами и направлениями векторов поля, то рыбам "неприятно" находиться в таких полях, они стремятся уйти в места, где теллурические поля меньше по интенсивности. Интересная идея И.И.Рокитянского требует экспериментальной проверки. Если она верна, то во время магнитных бурь, когда теллурические поля имеют порядок десятков-сотен микровольт на метр, рыбы должны уходить от берегов и с мелких мест в глубоководные районы, туда, где теллурические поля меньше по велияине. В то же время нельзя не учитывать того, что теллурические поля в морях и океанах имеют статистические преимущественные направления, которые определяются природой источников электромагнитных возмущений, рельефом дна и направлением береговой черты. В работе А.Т.Миронова приводятся данные, свидетельствующие о связях между уловами рыбы, геомагнитной и солнечной активностями /"6_/. По нашему мнению такие связи существуют. При этом солнечная корпускулярная активность действует на рыб именно через теллурические токи. Механизм связей таков: при взаимодействии солнечного корпускулярного излучения с магнитным полем Земли возникают магнитные возмущения, которые индуцируют в морях и океанах теллурические токи-. Нами, совместно с В.С.Шнеером и В.Р.Протасовым, была сделана попытка сравнить уловы сельди в Норвежском море со степенью магнитной воз-мущенности или магнитной активностью [ 130 У. Данные по улову в тысячах тонн за период с 1932 по 1952гг. были взяты из /ІЗІ/.
Для получения магнитной активности использовались таблицы планетарных трехчасовых индексов An /132/. Методика нашей работы в сущности не отличалась от методики А.Т.Миронова. Поэтому интересно было сравнить полученные результаты. Зависимость годовых уловов сельди в Норвежском море от магнитной активности дана на рис.24. При этом с 1906 по 1926гг. использованы данные А.Т.Миронова. В среднем уловы сельди повышаются с повышением магнитной активности. В то же время для подходов сельди к берегам Мурманского побережья Мироновым отмечена обратная зависимость. Автор попытался дать объяснение этому факту из предположения о наличии постоянной составляющей морских теллурических токов, направленной от NE к SW Считая, что рыба движется по направлению тока, а последний усиливается в годы максимума, можно объяснить "отход" сельди в эпоху максимума и ее "приход" к берегам Мурманского побережья Баренцева моря. Как уже отмечалось, такая интерпретация вряд ли правильна, т.к. постоянной составляющей теллурических токов в морах и океанах не обнаружено. Обнаруженные закономерности можно объяснить иначе. С повышением магнитной активности теллурические токи возрастают; рыба отходит от берега и из мелководного Баренцева моря уходит в глубоководное Норвежское море.
К вопросу о влиянии геоэлектрических неоднородностей в Северном Ледовитом океане
Северный Ледовитый океан имеет площадь 13 млн. KWT, ЧТО составляет 4,1$ от площади Мирового океана. Средняя глубина океана невелика (1130 м) из-за обширного континентального шельфа, занимающего 37,4$ площади океана. Дадим характеристику основных структурных элементов, обращая внимание на элементы, в пределах которых производились электромагнитные зондирования. На рис.41 дана карта Северного Ледовитого океана. На ней штриховыми линиями показано положение части полярной ионосферной электроструи.
Северный Ледовитый океан в миниатюре вобрал в себя почти все богатство океанических и субокеанических структур. Характерной чертой этого.океана является его геологическая геоморфологическая и геофизическая неоднородность, особенно сильно проявляющаяся в центральной глубоководной части - Арктическом бассейне. Основные части этого бассейна - Евразийский (западный) и Амеразийский (восточный) суббасейны, разделенные хребтом Ломоносова (центральная часть) характеризуются различными по интенсивности и структуре аномальным магнитным полем, строением земной коры, подводной топографией и, по всей вероятности, возрастом океанического дна. Считается, что шельфовое обрамление за двумя возможными исключениями (Чукотское поднятие и море Лаптевых) принадлежит к типичной континентальной окраине. Так шельф Восточно виной Нансена, на востоке - Амундсена. В южной части хребет сужается, гребень хребта плоский. Хребет Гаккеля сейсмичен, эпицентры землетрясений тяготеют к рифтовой зоне хребта. Осадочный слой маломощен (0- ШО м). Как для хребта Гаккеля, так и для соседних котловин характерны разломы, имеющие вид узких протяженных полос с расчлененным рельефом. Аномальное магнитное поле района хребта и котловин Нансена-Амундсена имеет полосовую структуру в виде линейных или слабо изогнутых контуров. Хребет Гаккеля относится к срединно-арктическому хребту; полагают,что по хребту проходит часть границы между Евразиатской и Севере-Американской плитами Д74/. Для хребта Гаккеля характерны уникально малые скорости разрастания - 0,5-0,2 см/год. Тепловой поток имеет повышенные значения в среднем 2,2 мк.кал/смг.сек Д75/. Хребет Манделеева-Альфа - значительное по площади волнистое поднятие шириной до 800 км и относительной высотой 900 м. Свод поднятия ровный. Длина хребта 1700 км, глубина -1700-2000 м. Хребет на западе граничит с котловинами Макарова и Толля, на востоке с Канадской котловиной, на юго-востоке с Чукотским выступом, подходя к континентальному склону Чукотского моря. Проявлений сейсмичности и вулканизма нет: тепловой поток нормальный. Аномальные магнитные поля хребта Менделеева, значительные по величине (500 нТ) отличаются по структуре от полей западной части бассейна; конфигурация аномалий сложная, ориентировка их нечеткая. Происхождение амеразийского суббасей-на во многом неопределенно из-за неустановленной природы хребта Менделеева-Альфа. Его магнитное поле отличается от типично океанического, земная кора тоньше материковой, рельеф дна, как и некоторые другие характеристики, исключают материковое происхождение суббасейна. Между хребтагли в Северном Ледовитом океа
не находятся котловины, имеющие вид абиссальных равнин. Назовем их: котловины Амундсена (глубины 3600-4300 м), Нансена (3400-400 м), Макарова (3800 м), Толля (2600 м), Канадская (3800 м), а также впадины СП (Ї800 м) и Североморцев (3300 м). Малая площадь бассейна по сравнению с водосбросом обеспечивает повышенную скорость осадконакопления и мощность осадочного слоя. В котловинах Нансена и Амундсена мощность осадков существенно увеличена по сравнению с аналогичными котловинами других океанов; в котловине Толля мощность осадков иногда превышает 7 км. Аномальное магнитное поле котловин имеет структуру хребтов, к которым они примыкают. Толщины земной коры в котловинах невелики: так в котловине Нансена толщина земной коры 4-8 км, в Канадской котловине - 5-Ю км.
Чукотский выступ, расположенный между мысом Барроу и островом Врангеля, является мелководным плато или отчлененным шельфом. С восточной стороны к выступу примыкает впадина СП, а с севера и запада - Канадская котловина. С юга имеется небольшой прогиб с глубинами до 1000 м, который переходит в шельф Чукотского моря. Поперечные размеры выступа 200-300 км; выровненный свод расположен на глубине около 300 м. Даже этот беглый обзор показывает, что строение Северного Ледовитого океана является сложным. Поэтому неудивительно, что у ученых нет единой точки зрения относительно его геологической истории /Ї38/. Некоторые из них не считают Центральный арктический бассейн океаническим, относя его к области интенсивного погружения континентальных структур.
Магнитное поле трехмерной волны в воздухе
Полученные закономерности качественно согласуются с теоретическим анализом, проведенным нами с Л.Л.Баньяном "/185/ и с теоретическими расчетами В,В. Сочельникова /25/ . Применительно к зондированию можно утверждать, что несмотря на тысячеметровый слой воды над сводом хребта Ломоносова здесь следует ожидать искажений кривых кажущегося сопротивления. Такие же искажения будут на малых глубинах в шельфовой зоне, в районе берегового склона при осложненном рельефе дна. Б то же время на больших глубинах при относительно небольших изменениях в рельефе следует ожидать, что установка Тихонова-Каньяра на дрейфующих льдах не будет подвержена влиянию аномальных электромагнитных полей.
Одной из задач морских магнитотеллурических исследований является излучение осадочного чехла. Эта задача является одной из основных в разведочной геофизике. Она шлеет существенное значение и для геотектоники. Данные о распределении осадков на океаническом дне, их состав и возраст дополняют наши знания о тектонике дна, хотя в самих тектонических процессах осадки играют пассивную роль. Наличие осадочного слоя, контактирующего, с одной стороны, непосредственно с водой, с другой - с высокоомны-ми породами, является характерной чертой морского геоэлектрического разреза. Осадки пропитаны морской водой. Поэтому их удельное электрическое сопротивление имеет тот же порядок, что и со противление воды, но 9 2.ВД Первые же морские магни-тотеллурические зондирования, выполненные с дрейфующего льда в Северном Ледовитом океане, показали, что суммарная продольная проводимость S , полученная при интерпретации восходящей ветви кривых кажущегося сопротивления, больше суммарной продольной проводимости слоя морской воды Д86-І88/. Этот факт объясняется наличием хорошо проводящего осадочного слоя, суммарная продольная проводимость которого равна S S-Sj,- Изучение распределения S 2 было нами названо морским магнитотеллурическим профилированием (ШТП). В данном случае речь идет об измерениях поверхностной установкой Тихонова-Каньяра. Отличие от МТП на суше при этом заключается в определении разности суммарных проводимостей ( S і ). Очевидно, что при измерениях донной установкой Тихонова-Каньяри МТЇЇ на суше и в море идентичны. ШТП поверхностной установкой Тихонова-Каньяра сравнительно легко реализуется на дрейфующем льду. Несмотря на относительно малые скорости дрейфа при высокой магнитной активности в высоких широтах, мы имеем возможность построить профиль изменения S2 на пути дрейфа льдины. На рис. приведена карта суммарной продольной проводимости осадочного слоя Sz . Материалом для составления карты послужила интерпретация входящей ветви около 80 кривых МТЗ, построенных для двух взаимно-перпендикулярных направлений. Для большей части кривых значения сопротивления о к по обоим направлениям совпали, что свидетельствует о геоэлектрической однородности разреза. Наблюдавшееся для небольшого числа кривых расхождение имело место и в этом случае: кривая МТЗ строилась по способу среднего кажущегося импеданса. Карта, представленная на рис,51, относится центральной части хребта Ломоносова, Сплошными линиями на карте обозначены изобаты. На них обозначена глубина океана в километрах. Величина S 2 дается цифрами в кружках и выражена в тысячах си-менсов. Карта показывает, что S2 меняется в значительных пределах, достигая максимальных значений в сводовой части хреба. Следствием такого распределения осадочных отложений является, несмотря на большие перепады глубин океана, относительно высокая геоэлектрическая однородность разреза.
По данным сейсмических исследований на хребте Ломоносова наблюдается двухярусное строение осадочного слоя. Первый ярус при скоростях сейсмических волн 1,8-2,0 км/сек имеет мощности 0,1--1,6 км. Во втором ярусе сеймические скорости 3,5-4,8 км/сек; мощность второго яруса 0-2,8 км. Принимая удельное сопротивление осадков порядка I Ом.м, можно заключить, что Sg, отражает суммарную продольную проводимость двух ярусов осадочного слоя. S2 была определена и для других районов Северного Ледовитого океана (Чукотский выступ, хребет Гаккеля, котловина Подводников, шельф Восточно-Сибирского моря)
Обобщая все данные ММТП, можно заключить":
1) Для геоэлектрического разреза дна Северного Ледовитого океана характерно наличие хорошо проводящего осадочного слоя. Этот вывод находится в хорошем согласии с данными сейсмозондирований.
2) Суммарная продольная проводимость осадочного слоя меняется в значительных пределах и достаточно точно определяется методом магнитотеллурического профилирования.
А) Морское магншготеллурическое профилирование может быть ис— пользовано в разведочной геофизике. Наиболее просто этот метод реализуется в Северном Ледовитом океане, где имеется подвижная платформа - дрейфующий лед, что обеспечивает проведение профильных и площадных съемок. Последнее обстоятельство может быть использовано в геолого-разведочных работах на нефть и газ на шельфе Северного Ледовитого океана.
