CC BY
86
----------------------------------- © В.К. Балханов, Ю.Б. Башкуев,
2005
УДК 550.341.2
В.К. Балханов, Ю.Б. Башкуев
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРОГНОЗ ПРЕДВЕСТНИКА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
ТТ редложены три критерия, по которым
ж. Л. можно однозначно идентифицировать наличие глубинных источников электромагнитного излучения. Предложен способ определения глубины очага землетрясения по анализу электромагнитных колебаний.
Несмотря на открытия во многих областях сейсмологии - науки о землетрясениях, процессы, лежащие в основе возникновения землетрясений, неизвестны. Реальный физический процесс, происходящий в очаге землетрясения, чрезвычайно сложен и исследование его как теоретическое, так и экспериментальное, сталкивается с рядом трудностей. На множество критических вопросов нет ответов. К ним относятся недостаточное знание физических свойств вещества земных недр, механизмов, управляющих распределением и перераспределением в них электрических зарядов. В том числе, какие физические процессы стоят во главе зародышевой фазы землетрясений, временной и пространственной динамики сейсмических ударов, афтершоков и форшоков.
Согласно основным положениям теории глобальной тектоники [1], литосфера, внешняя оболочка Земли, представляет собой относительно жесткую оболочку, “плавающую” на поверхности достаточно вязкой мантии. Эта оболочка разбита региональными тектоническими нарушениями на крупные и прочные ли-тосферные мегаблоки - плиты, линейные размеры которых достигают несколько тысяч километров. Землетрясение происходит тогда, тогда изгиб пласта земной коры достигает предела прочности, после чего происходит разрыв, при этом пограничные части пласта распрямляются, сдвинувшись в противоположные стороны. Мегаблоки находятся в постоянном движении (со скоростью несколько миллиметров в год) относительно друг друга. Горные породы, составляющие блоки, пропитаны флюидами, которые насыщают породы и за-
полняют в них трещины и поры. С глубиной увеличивается давление и, в силу эффекта ди-литации, объем влажных пород увеличивается. Горный массив растрескивается, и это приводит к уменьшению прочности пород. В однородной массивной плите происходит локальное нарушение - появляется неоднородность. В местах наибольшей неоднородности происходит накопление энергии, которая в конце концов высвобождается в виде землетрясения. Аккумулирование энергии, растрескивание пород, нагнетание механических напряжений в районе будущего землетрясения сопровождается появлением электрических зарядов обоих знаков. Акцент на рассмотрение в статье вопроса о электрических зарядов связан с возможной регистрацией предвестника землетрясения в виде электромагнитного излучения на поверхности Земли в удалении от самого очага. Сам процесс накопления энергии можно представить следующим образом. Слагающие породы молекулярные структуры сцеплены электромагнитными силами. При разрушении таких структур происходит освобождение электромагнитной энергии, которая может быть либо локализована в области разрушения горных пород, либо приводить к дальнейшему разрушению соседних участков области.
Где именно произойдет очередная катастрофа, когда она разрядится и какой силы достигнет, - с достоверностью сказать не может никто [1]. В последнее время на ближайшее десятилетие ставится задача обнаружения надежных предвестников, разработка эффективных методов прогноза. В этом плане электромагнитные методы поиска предвестников начинают играть все более важную роль. Недавние исследования указывают, что деформации коры, вызываемые или предшествующие разломам, вулканические деятельности генерируют различные электромагнитные сигналы (аномалии собственного потенциала, изменение со-
противления, КНЧ электромагнитное излучение). Исследование электромагнитных явлений, связанных с землетрясениями и вулканами - это срочная научная потребность. Такие исследования позволят правильно понять физику коровых разломов и применить все известные данные в программах смягчения естественных стихийных бедствий. В статье [2] была предложена программа поиска предвестников по ОНЧ - излучению. Однако, после многолетних исследований, поиски краткосрочных предвестников землетрясений в аномальных вариациях ОНЧ - радиоволн закончились неудачей [3]. Электромагнитные предвестники землетрясений несомненно существуют. Поэтому на первый план выходит задача поисков предвестника в диапазоне радиоволн -начиная с герцовых и выше частот. В данной статье и будет предложена программа поиска и выявления сигналов, предположительно связанных именно с очагами землетрясений.
В горизонтах, ответственных за появление очагов землетрясений, возникают объемные эффекты, которые порождают высокие касательные напряжения [4]. В результате таких напряжений образуются дополнительные к уже имеющимся электрические заряды, они могут быть представлены в виде двойного электрического слоя на границе кристаллический скелет
- флюиды, или за счет пъезоэффекта, возможны и другие механизмы возникновения электрических зарядов. Не конкретизируя возможного механизма инициации зарядов обоих знаков вблизи очага, будем считать, что они появились и рассмотрим, к каким следствиям это приводит.
Плоская поверхность границы раздела воздух - земля означает выделенного направления
- нормали к границе. Поэтому электрическое поле на поверхности Земли должно быть поляризовано вдоль этого направления. Такое утверждение можно доказать прямым расчетом, если рассмотреть однородную среду, обладающей некоторой отличной от единицы диэлектрической проницаемостью, в которой расположены два разноименных заряда [5]. Поскольку очаг землетрясения находится далеко от поверхности Земли, то расстояние между зарядами можно считать малым по сравнению с удаленностью от места измерения. В таком случае поле на поверхности будет пропорционально дипольному моменту рассматриваемых зарядов и обратно расстоянию до поверхности в кубической или четвертой степени. Если ди-
польный момент направлен вдоль выделенного направления, то степень будет кубической, если момент ортогонален направлению, то степень четвертой и, соответственно, поле во втором случае будет мало по сравнению с первым случаем ориентации диполя. Таким образом, электрическое поле действительно ориентировано вдоль нормали к границе воздух - земля. Мы будем рассматривать ту часть дипольного момента, которая периодически зависит от времени. Тогда имеем случай излучательного механизма доставки электрического поля на поверхность, в точку измерения, само поле будет пропорционально скорости изменения момента, или, в силу периодического характера, электрическое поле на границе воздух - земля будет вертикально поляризовано и пропорционально частоте. Магнитное поле ортогонален электрическому и в силу симметрии, одинаков в любом направлении на плоскости раздела.
Частота электромагнитной волны, выносимой на поверхность Земли, должна удовлетворять определенному условию. Если среда электрически однородна, то условие для частоты должно заключаться в малости скин - слоя по сравнению с глубиной залегания. Так, если проводимость порядка 10 -5 См/м и глубина залегания 10 км, то частота т должна быть заметно больше 1 Гц, т.е. как раз попадает в область радиочастот. В случае реального неоднородного распределения электрических параметров, условие для частоты будет заключаться в малости произведения длины волны в вакууме на импеданс среды по сравнению с глубиной залегания. Такое условие для области радиочастот практически всегда выполняется. В развиваемый в последнее время фрактальном подходе к распространению электромагнитных волн в неоднородных средах импеданс приобретает отличный от известных выражений вид. Но фрактальный подход будет мало сказываться на условии для частоты.
Крупные мегаболоки, составляющие тектонические плиты, состоят из более мелких структурных блоков, которые, в свою очередь, разбиты на множество еще более мелких блоков, по которым также происходят тектонические подвижки. Можно представить, что литосфера Земли, реальный массив горных пород представляет собой сложную иерархическую плиточную систему из все уменьшающихся по своим габаритам блоков. Причем каждая структурная единица находится в постоянном движении окружающих ее структурных единиц
[6]. Иерархическое строение будет сказываться и на отклик электрических параметров системы на внешнее электромагнитное поле. К примеру, если скин - слой h однородной по проводимости <г тектонического блока будет
h =
2
(1)
h = C
а
(
V
(2)
дующая зависимость глубины от частоты принимаемого сигнала:
h v- ю = const.
(3)
где /и 0 - магнитная постоянная, то при иерархическом распределении проводимости скин -слой становится равным
где є 0 - диэлектрическая постоянная, V - степенной (скейлинговый) показатель, С - масштабный множитель. Для перехода к однородной среде достаточно положить V = 2 и С = •72. Выражение (2) можно применить к еще одному методу определения глубины очага землетрясения.
В сейсмологии хорошо разработаны методы определения местоположения очагов землетрясения [1]. Все они основаны на анализе упругих колебаний. Обсуждаемый ниже метод будет основываться на анализе электромагнитных колебаний. Если отвлечься от проводимости среды и фиксировать уровень принимаемого сигнала, то из (2) следует сле-
Для определения скейлингового показателя ^ необходимо провести калибровочные измерения. В скважину помещаем искусственный источник излучения и варьируется его глубина погружения и частота излучения. По эти измерениям на графике с осями 1п h и 1п т строим прямую, по наклону которой определяем V. Теперь, зная для данного региона V и частоту электромагнитного предвестника, методы измерения которого определены выше, можно определить и глубину очага землетрясения.
На основе выше изложенного, можно предложить следующую программу поиска возможного предвестника землетрясения. Переменное электрическое поле измеряется вертикальной антенной, магнитное поле измеряется вдоль поверхности Земли, причем его напряженность не должна зависеть от ориентации магнитной антенны. Напряженность же электрического поля должна быть пропорциональна частоте. Предложенные три критерия должны однозначно указывать на глубинный источник излучения электромагнитной волны. Иерархическое распределение проводимости позволяет определить местоположение очага землетрясения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
а
1. Болт Б. Землетрясения. - М.: Мир, 1981. 256 с.
2. Hayakawa M., Tomizawa I., Ohta K., Shimakura S., Fujinava Y., Takahashi K. and Yoshino T. Direction finding of precursory radio emissions associated with earthquakes: a proposal // Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1993. № 77. P. 127-135.
3. Вербин Ю.П., Крылов Г.Н., Зарх А.З. К проблеме обнаружения электромагнитных предвестников землетрясений в диапазоне ОНЧ // Успехи современной радиоэлектроники, 2002. № 1. - С. 62-71.
4. Киссин И.Г., Рузайкин А.И. Очаги землетрясений в поле геологических неоднородностей земной коры байкальской рифтовой зоны // Физика Земли, 2000. № 7. С. 67-75.
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. - М.: Наука, 1982. 620 с.
6. Желиговский В.А., Подвигина О.М. Модель динамики тектонических блоков с учетом миграции флюидов по системе разломов // Физика Земли, 2002. № 12. - С. 3-13.
— Коротко об авторах ----------------------------------
Балханов Василий Карлович - аспирант,
Башкуев Юрий Буддич - профессор, доктор технических наук, Бурятский научный центр СО РАН, г. Улан-Удэ.
