CC BY
44
Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2018. № 2(22). C. 112-127. ISSN 2079-6641
DOI: 10.18454/2079-6641-2018-22-2-112-127 УДК 551.594.6 +621.391.821
ХАРАКТЕРНЫЕ ФОРМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
СИГНАЛОВ
В. Н. Уваров
Институт космофизических исследований и распространения радиоволн (ИКИР) ДВО РАН,684034, ^Паратунка, Камчатский край E-mail: [email protected]
Выделены неизвестные ранее простейшие повторяющиеся волновые формы электрической компоненты электромагнитного поля СНЧ-ОНЧ диапазона (паттерны), приуроченные к землетрясениям. Проведен анализ условий возникновения и распространения акустического и электромагнитного излучения и литосферных механизмов акустоэлектромагнитного преобразования. Сделаны выводы о конверсии акустического излучения в электромагнитное характере литосферных движений, сопутствующих простейшим волновым формам. Эти паттерны сопоставлены с простейшими видами деформационных движений деформируемого твердого тела.
Ключевые слова: сейсмоэлектромагнетизм, электродинамика литосферы, электромагнитное проявление землетрясений, распространение радиоволн, естественное электромагнитное поле Земли, электромагнитное излучение литосферы, электрогидродинамика
© Уваров В.Н., 2018
Введение
Электромагнитные проявления динамики литосферы, сопутствующие землетрясениям, известны достаточно давно [1] и являются одной из наиболее интригующих и пока не до конца изученных проблем геофизики. В ее основе лежит электромагнитная природа формообразования твердых тел, в том числе и горной породы, которая приводит к неизбежной связи между деформационными процессами и электромагнитным излучением - существованию так называемых механо-электромагнитных механизмов. Некоторые из этих механизмов достаточно хорошо известны и имеют практическое приложение, например, пьезоэлектрический и пьезомагнитный эффекты. Все механизмы имеют физические модели разной степени детализации и теоретического обоснования [2,3,4]. Часть из них привлекалась для интерпретации лабораторых экспериментов.
Представления о электромагнитных проявлениях динамики литосферы, приуроченных к землетрясениям, достаточно широко обсуждается в научной литературе. В результате к настоящему времени установилось понятие «сейсмоэлектромагнетизм» как область радиофизики природных сред [5].
Однако несмотря принципиальную ясность физических основ этого феномена о его практическом использовании пока говорить преждевременно. Главные проблемы связаны с несопоставимость природных процессов с их лабораторными моделями из-за масштабности и разнообразия условий протекания литосферных процессов [6]. А спорадичность и непредсказуемость поцессов активизации литосферы в совокупности с недоступностью их для контактных исследований приводят к невозможности установления статистических связей и выделения доминирующих механизмов, необходимых для физического анализа. Все это приводит к недостаточной обоснованности использования электромагнитных измерений поля для интерпретации динамики земной коры [7,8]. Тем не менее неявно задача разработки методов диагностики геодинамического состояние коры присутствует во всех исследованиях сейсмоэлектромагнетизма. Подтверждением этому являются публикации, направленные на разработку нового подхода в дистанционном зондировании - диагностики геодинамического состояния по электромагнитному отклику [3,9].
Как известно, исследование любого феномена сводится к построению его модели - совокупности доминирующих закономерностей, выраженных в той или иной форме: аналитического выражения, ассоциативного, диаграмно-графического, словесного описания и т.д. В случае феномена обладающего большим разнообразием проявлений прямое построение модели оказывается осложнено большим числом параметров. Упрощение задачи построения модели достигатся путем разбиения исследуемого явления на классы и подклассы, позволяющие построить более простые модели. Последующее построение полной модели достигается путем объединения и обобщения этих простных моделей.
При исследовании электромагнитных проявлений геодинамических процессов приходится иметь дело с достаточно сложным феноменом. Поэтому естественным первым этапом исследования этого явления является классификация. Построение модели в этом случае сводится к ассоциации простейшей формы электромагнитного сигнала с элементарными формами деформационных движений на основе законов электродинамики. В данной работе предпринята попытка выделить в естественном электромагнитном поле Земли компоненты сигналов, являющиеся
электромагнитными проявлением динамики литосферы, расклассифицировать простейшие формы этих сигналов и сопоставить им простейшие виды элементарных деформационных движений. Следует отметить, что большинство исследований, связанных с электромагнитным излучением литосферы [например, 10,11] основаны на анализе отдельных эпизодов, не позволяющих отделить систематический характер свойств электромагнитного проявления землетрясений от случайной составляющей. В настоящей работе предпринята попытка заполнить этот пробел.
Структура естественное электромагнитное поле
Электромагнитное поле над поверхностью Земли представляет собой смесь электромагнитных полей различного происхождения. Сигналы естественного электромагнитного поля СНЧ-ОНЧ диапазона атмосферно-грозового и ионосферно-магнитосферного происхождения изучаются уже около 100 лет, формы их достаточно хорошо изучены и потому они легко идентифицируются. Его наиболее мощная компонента в нормальных условиях обусловлена атмосферно-грозовой активностью - это в основном атмосферики - сигналы от удаленных молний, возникающих в приэкватоиальных областях - так называемых центрах мировой грозовой активности. Частота появления этих разрядов от 50 до 300 разрядов в секунду длительность 5 ^ 20 мс. Максимальная амплитуда напряженности поля в средних широтах может достигать долей и даже единиц в/м. На рисунке 1 пример динамического спектра электромагнитного поля, на котором атмосферики выглядят в виде тонких вертикальных линий.
Рис. 1. Динамический спектр естественного электромагнитного излучения, содержащий атмосферики и вистлеры.
Компонента магнитосферно-ионосферного происхождения содержит сигналы удаленных молний, модифицированные в результате распространения в ионосфере, или возникшие под влиянием потоков плазмы, выброшенной Солнцем. Она
представлена достаточно широким набором сигналов (вистлеры, твики, хоры, шипения), которая особенно сильно проявляется во время магнитных бурь [12]. Рисунок 1 прекрасно демонстрирует динамические спектры вистлеров (свистящих атмосфериков) имеющие саблевидную форму длительностью около 2 секунд - это модифицированные в результате прохождения через магнитосферу сигналы мощных молниевых разрядов, пришедшие из магниотосопряженных точек по магнитной трубке глобального геомагнитного поля через магнитосферу.
Time s
Рис. 2. Примеры техногенных сигналов
Связанное с технической деятельностью человека электромагнитное излучение особенно существенно в диапазоне промышленных частот в местах с высокой плотностью населения и развитой промышленностью. На рисунке 2 приведены примеры сигналов техногенного происхождения, связанные с силовой сетью. Видно, что информационным признаком сигналов силовой сети является кратность (как это видно в окнах 1 - 6)) или дробность (как это видно в окне 7) их частоты основной частоте силовой сети.
Радиолокационная, связная и вещательная активность в основном осуществляется на частотах значительно превышающих частоты УНЧ-КНЧ диапазона и потому в случае нормальных значений этих полей малозаметна в этом диапазоне. Однако в этот диапазон может попадать излучение на комбинационных частотах этих излучателей, возникшее в результате нелинейного взаимодействия и переизлучения ионосферой [13]. Однако это излучение достаточно слабо, имеет хорошо выраженный периодический характер и потому его легко идентифицировать.
Литосферная компонента, свойствам которой посвящено последующее изложение, существенна для районов повышенной сейсмической активности. Вследствие
непредсказуемости места и времени сейсмических явлений, подавляющее число исследований электромагнитных проявлений этого феномена проводилось вдали от источников излучения - в удобных для проведения измерений областях. Обычно это геофизические обсерватории или станции наблюдения. Характер волновых форм и спектров этих сигналов до настоящего времени был не изучен. В настоящей работе представлены первые результаты классификации выделенных сигналов литосферного происхождения.
Характер электромагнитного излучения, его спектрально-временные, поляризационные и ориентационные свойства определяется характером, дислокацией источника и условиями распространения излучения до регистратора.
Для обычно доминирующей атмосферно-грозовой компоненты решающее значение имеет то обстоятельство, что для волн СНЧ-ОНЧ диапазона проводящая поверхность Земли и ионосфера формируют полость, обладающую волноводными условиями для субгоризонтальных мод излучения. Критическая длина волны этого волновода равна удвоенной высоте ионосферы. Естественно, это обстоятельство осложняется наличием структуры ионосферы [14,15].
Те же условия формируют плоский открытый малодобротный региональный резонатор для субвертикальных мод. Горизонтальный радиус когерентности излучения в этом резонаторе порядка длины волны. Электромагнитное излучение литосферы, вышедшее в атмосферу, в зависимости от угла выхода распространяется в волноводе или оказывается захвачено региональным резонатором.
В волноводе для субгоризонтальных мод доминирующим является поле излучение молний вблизи экватора. Для субвертикальных мод регионального резонатора условия исследования литосферного излучения более благоприятны, поскольку излучение грозового происхождения оказывается сильно ослабленным.
Для распространеняющегося в земной коре электромагнитного излучения потери значительны и могут измеряться единицами - десятками дБ/м [16 ]. Поэтому оказывается возможным регистрировать непосредственно литосферные сигналы только от ближайших литосферных источников, расстояние до которых измеряется десятками-сотнями метров, что значительно меньше длины волны [17]. Эти же обстоятельства приводят к необходимости проводить исследование сигналов литосферного происхождения в сейсмически активных районах.
В атмосфере потери излучения на несколько порядков меньше. Поэтому наблюдение литосферного излучения в атмосфере оказывается гораздо более эффективным. Однако в процессе распространения через границу кора-атмосфера происходит усреднение по террирории в области выхода и распространения по пути с неизвестными свойствами. Это обстоятельство меняет параметры излучение и вности неопределенность в определение свойств и параметров источников.
Достаточно хорошая изученность сигналов атмосферно-грозового, ионосферно-магнитосферного и техногенного происхождения, которые в данном случае выступают как помехи, позволяет отделить их от сигналов литосферного происхождения, особенно при регистрации в местах с повышенной сейсмичностью и хорошей электромагнитной экологией.
В настоящей работе представлена классификация наиболее характерных форм сигналов электрической компоненты и сделана попытка связать типичные формопроявления электромагнитного сигнала с характером литосферных движений.
В процессе исследований выяснилось, что основные отклики на сейсмические события несет вертикальная электрическая компонента электромагнитного
излучения. Это свидетельствует о расположении источников в волновой зоне регистратора (Я > r) и является подтверждением литосферного происхождения исследуемых сигналов. Это обстоятельство позволило сосредоточить основное внимание изложения на анализе вертикальной электрической компоненты.
Характерные формы аномальных сигналов
Характеристики регистратора и рабочая гипотеза Для выделения статистически значимых характерных форм сигналов литосферного происхождения использовались архивные данные наблюдения ОНЧ-СНЧ излучения 2013 г, проводимого на станции геофизических наблюдений "Карымшина" ИКИР ДВО РАН (52.82oN, 158.13oE), расположенной в области пересечения региональных разломов Малко-Петропавловской зоны поперечной дислокации северо-западной ориентировки в Паратунской раздвиговой зоне у подножия экструзивного купола сопки Горячая. Эта территория характеризуется низким уровнем промышленных помех и высокой микросейсмичностью. Регистрация осуществлялась с помощью цифровой многоканальной системы с чувствительностью не хуже 2 ■ 10-7(nT/Hz1/2) по магнитной компоненте и 6 ■ 10-8 (V/m Hz1/2) по электрической. Частоты дискретизации - 48 кГц и 44.1 кГц. В качестве источника сейсмических данных использовался каталог землетрясений Камчатского филиала геофизической службы РАН, который в 2013 г содержал 3112 события.
Рабочей гипотезой служило предположение о том, что излучение является откликом активизации литосферных процессов, а необходимым условием сейсмического проявления этой активизации является землетрясение. Отсюда следует, что землетрясение является индикатором повышенной сейсмической активности, однако не всегда повышенная сейсмическая активность приводит к землетрясению.
Характерные формы сигналов. Настоящее исследование ограничено интервалом электромагнитных данных ±15 минут в окрестности момента землетрясения. В результате визуального анализа волновых форм электромагнитных проявлений землетрясений 2013 года, обеспеченных электромагнитными данными (1201 событие) удалось выделить 8 типичных ситуаций. В этих ситуациях обнаружено 5 типов регулярно повторяющихся форм электромагнитных сигналов. В ряде случаев каждый тип формы был представлен несколькими сходными паттернами.
На рисунке 3 приведены примеры ситуаций электромагнитного излучения, сопутствующего землетрясениям.
В окне 1 рисунка 3 приведен фрагмент электромагнитного излучения в момент землетрясения. Здесь видны характерные всплески отдельных атмосфериков разной амплитуды, значительно превышающей уровень фона, но отсутствуют какие-либо иные аномалии. Волновые формы атмосфериков имеют вид, характерный для естественного невозмущенного поля. Судя по их амплитудам и форме хвостов эти всплески являются проявлением достаточно удаленных молниевых разрядов (spheric). Длительность этих атмосфериков - 10^30 мсек. Следует отметить, что частота появления атмосфериков в интервалы времени, приуроченные к землетрясениям, существенно ниже, чем в периоды сейсмического затишья. Отсюда можно сделать вывод, что повышение активности литосферы может приводить к ухудшению условий
1 1 ■ v 5
о ' am ' 0 04 ' n об ' 0.08 ' о
. ||{ii 1
.= „.„4...________________________и _..........I _____________________________________________ • ^t-f -- —........■..............f ......
^ — 6 -----------—^-^fff—----— 0 0 0? ft 04 ft.ftfi Oft« Ol
ft Oft? 0 04 0 Ой ft DK 0 1
Д «fr ».Д.!.,.. .2 3
II 0 09 ОП4 ft Oft n ftR ft
540. Ecrth Oofco 2Г!Л>1/24-1-¡«¡00, =„crs=tic = 7.7, Jcpth =65 98; Latitude = 50.7. Lo-,9titjd»=LS0.16 nt tu 3 -ggg ft ftft? 004 006 ft 08 ft1
-------- ., - ' ~ ■---. _ 8
4
/V , V\ ft 0 Cll 0 04 0 06 0 08 0 1
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.
Рис. 3. Типичные электромагнитные ситуации в окресности землетрясений: 1 — отсутствие электромагнитных проявлений; 2 — высокоамплитудные хаотичные; 3 - однополярные импульсы; 4 — ударные 12, 5 Гц; 5 — релаксационно-ударные ; 6 — сложные ; 7 — медленные высокоамплитудные. По горизонтальной оси - время в секундах.
распространения атмосфериков, однако не всегда сопровождается появлением характерного излучения.
На фрагменте 2 рисунка 3 приведен пример высокоамплитудных всплесков, формиующих цуги высокочастотны колебаний длительностью 0.001 ^ 0.1 с частотой около 8 кГц. Видно, что значительная часть выбросов имеет почти равную высоту, формируя столообразную огибающую. Это свидетельствует о нештатном режиме работы приемной аппаратуры - возникновению резонансных колебаний. Такой режим возможен при амплитуде входного сигнала значительно превышающей допустимое динамическим диапазона регистратора. Иными словами, наблюдается аномально высокий уровень входного сигнала, на который приемная аппаратура не в состоянии адекватно реагировать.
На фрагменте 3 рисунка 3 приведен пример хаотически следующих однополярных импульсов по величине сравнимых или превосходящих по амплитуде атмосферики. В большинстве случаев импульс одной полярности сменяется импульсом противоположной полярности. Следует отметить, что наблюдаемые однополярные импульсы обладают высокой стабильностью формы и амплитуды. Более детально форма однополярного импульса приведена в окне 3 рисунка 4. Общая длительность импульса около 0.5 мсек. Длительность крутого переднего фронта в 3 ^ 5 раз меньше заднего. Форма импульса сильно напоминает апериодические колебания низкодобротного осцилятора с импульсным возбуждением, что характерно для переходных релаксационных процессов. К числу таких процессов, характерных для деформационных процессов коры, относится прерывислое кольжение (stick slip motion), возникающее при сухом трении.
Рис. 4. Различные формы простейших фрагментов фолновых форм и их вариации. По горизонтальной оси - время в секундах. Нумерация окон соотвествует нумерации фрагметов на рисунке 1. 1 - атмосферики; 2 - высокочастотные хаотичные. Врезка демонстрирует их заполнение; 3 - однополярный импульс; 4 - затухающая последовательность колебаний; 5 - вариации простейших формы последовательности колебаний типа 5 ; 6 - вариации простейших форм колебаний типа 6 ; 7 - вариации форм колебаний типа 7 ; 8 - вариации низкочастотных форм.
На фрагменте 4 рисунка 3 приведен пример сигнала, представленного единственной формой. Как видно на детальном графике этого паттерна (рисункок 4 окно 4 ) он содержит одну форму затухающих колебаний низкой частоты (около 500 Гц). При общей длительности цуга около 10 мсек этот паттерн обычно содержит около 6 периодов затухающих колебаний. Наличие этих колебаний позволяет оценить добротность колебаний ( Q « пЫ, где N - число колебаний за время релаксации). В нашем случае N = 6, следовательно, добротность резонатора Q « 20. Серия всегда начинается крутым фронтом ударного характера, при котором амлитуда достигает максимального значения. Расстояние между цугами в диапазоне 0.1 ^ 0.2
с. Частота следования цугов 12,5 Гц - четвертая часть промышленной частоты 50 Гц. Это обстоятельство позволяет отнести этот вид волновых форм к техногенным или комбинации техногенного с литосферно-индуцированным.
На фрагменте 5 рисунка 3 приведен пример последовательности хорошо выраженных колебаний с амплитудой превышающей амплитуду атмосфериков. Период этих колебаний меняется в пределах 1 — 50 мс, положительный и отрицательный полупериоды несимметричны. Колебания не имеют устойчивой формы, содержат как резкие фронты, так и медленные изменения. Общая длительность последовательности таких колебаний может достигать нескольких секун. Семейство патернов этого вида сигналов представлено в окне 5 рисунка 4. Они формируют последовательности периодических импульсов с меняющимся периодом повторения, но постоянной амлитудой и формой центрального пика. Размер крыльев и соотношение переднего и заднего крыла меняется. Крыло, предшетсвующее центральному пику, обычно длительнее заднего крыла в 2 — 3 раза. Передний фронт центрального импульса в 2 — 3 раза круче заднего. Импульсы данной формы встречаются большими сериями с меняющимся периодом следования и формы.
На фрагменте 6 рисунка 3 представлен пример электромагнитного проявления в виде цуга несимметричных колебаний меняющейся длительности периода (clacks, дребезг) и числа имульсов в одном цуге. В окне 6 рисунка 4 представлено семейство соответствующее семейство патернов. Длительность отдельного импульса около 0.5 милисекунды.
Фрагмент 7 рисунка 3 демонстрирует последовательность хаотически чередующихся импульсов разной амплитуды и длительности с регулярно возникающими максимумами, значительно превышающими предельное значение динамического диапазона регистрирующей аппаратуры. Это обстоятельство проявляется виде появления плоской вершины соответствующего импульса. В окне 7 рисунка 4 представлено соответствующее этому виду сигналов семейство паттернов. Они имеют сложную форму (cacophony), включают как высокочастотные высокоамплитудные импульсы, так и медленные изменения. Длительность этих сигналов лежит в диапазоне 0.05 —0.01 секунды. Вероятно, наблюдаемые проявления связаны с сильной перегрузкой входного тракта антенного усилителя мощным низкочастотным сигналом.
Во фрагменте 8 рисунка 3 представлены низкочастотные колебания меняющейся формы. Длительность этих сигналов лежит в диапазоне 0.25 — 20 мсек. Окно 8 рисунка 4 содержит соотвествующее семейство паттернов.
Анализ разных видов волновых форм сигналов позволил сделать следующие заключения.
1. Большинство волновых форм характеризуются наличием высокоамплитудных кратковременных импульсов.
2. Передний фронт таких импульсов всегда в 2 - 3 раза короче заднего и, повидимому, не превосходит минимальное время разрешения регистрирую устройства ( 0.5 ■ 10-4 c) .
3. Длительность простейшей повторяющейся формы варьируется в пределах (3 ■ 10-4 -10-2 c).
Кора как преобразователь тектонической энергии
Может ли горная порода быть генератором колебаний? Это главный вопрос, на который необходимо ответить, прежде чем пытаться интерпретировать полученные результаты.
Для любого генератора колебаний необходимо наличие следующих компонент:
1. емкости для запаса потенциальной энергии, используемой при преобразовании в кинетическую энергию колебаний;
2. блока управления процессом преобразования потенциальной энергии в энегию колебаний;
3. цепи положительной обратной связи, связывющей выход генератора с блоком управления.
Для спектра генерируемых частот должно выполняться основное релаксационное условие генерации, заключающееся в том, что характерное время существования запаса энергии (характерное время релаксации возбужденного состояния, саморазряда аккумулятора) т должно быть значительно больше характерного периода возбуждаемых колебаний Т : т >> Т.
Горная порода представляет собой конгломерат породообразующих минералов в различных фазовых состояниях, кристаллическая матрица которых способна накапливать потенциальную энергию механических напряжений. Уменьшение сопротивления деформациии деформации горной породы при возрастании ее скорости (характерное для сухого трения твердых тел и вязкости тиксотропных жидкостей [18,19]) представляет собой достаточно эффективный механизм положительной параметрической обратной связью. Этот механизм подтверждается многочисленными лабораторными экспериментами и является главным в объяснении механики землетрясений [20, 21, 22]. Отсюда ясно, что горная порода является благоприятной средой для релаксационной генерации акустических колебаний.
Иная ситуация имеет место для электромагнитных колебаний. Здесь следует обратить внимание на релаксационные характеристики. Применительно к электромагнитных колебаниям это означает, что характерное время релаксации заряда в горной породе, возникающе под действием деформации ( т « е ■ р ), должно быть существенно больше периода возбуждаемых колебаний Т : т >> Т.
Для типичных значений удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости земной коры (1 < р < 104 (П ■ т), 5 < е < 20) получаем, что это характерное время т < 10-6 с. Иными словами, горная порода может служить емкостью заряда только для колебаний, частота которых лежит в выше мегагерцового диапазона. Отсутствие механизма управления и положительной обратной связи дополнительно усугубляют возможность генерации. Все это позволяет утверждать, что генерация электромагнитного излучения в горной породе в диапазоне 1 < f < 106 Гц невозможна.
В то же время наблюдается достаточно интенсивное электромагнитное излучение, сопутствующее землетрясениям [1,6]. Поэтому для понимания физики этого явления необходимо по новому проанализировать процессы преобразования механических возмущений в электромагнитные.
Для объяснения наблюдаемых сейсмоэлектромагнитных явлений предложен ряд механоэлектромагнитных механизмов преобразования механической энергии в электромагнитную: дислокационные течения в кристаллах породообразующих минералов, активизация подвижных носителей заряда, пьезоэлектрический,
пьезомагнитный, электрокинетический, трибоэлектрический, индуктивный, инерционный, сейсмомагнитный и другие эффекты [9 — 14]. Как следует из общего названия этих эффектов — они суть электромагнитные проявления изменения дипольного момента вещества под влиянием механических воздействий, проявляющиеся в зависимости от петрографической обстановки в виде того или иного эффекта. Мощность возникающего при этом излучения дается соотношением Лармора [23 ]
2 (Р)2
3 с3
Здесь Р = Q ■I - эффективные значения дипольного момента, заряда и базы диполя. с - скорость света соответственно.
Иными словами, преобразование механических возмущений при деформационной релаксации тектонических напряжений горными породами, обладающими механоэлектромагнитными механизмоми, порождает электромагнитное излучение, отражающее процесс тектонической перестройки коры.
Анализ данных
Большинство выделенных паттернов (типа 3, 4, 5, 6, 7) характеризуются наличием высокоамплитудных всплесков с крутым передним фронтом длительностью меньше периода дискретизации (А? < 5 ■ 10-5с). Можно предположить, что этот всплеск спровоцирован срывом стопора. Последующая картина определяется механическими свойствами горной породы в окресности активизированного стопора.
Срыв стопора приводит к релаксационному деформированию, изменению компенсирующей конфигурации избыточных зарядов и возникновению электромагнитного излучения. Из-за малой величины характерного времени релаксации заряда в среде (т < 10-6с) изменение конфигурации компенсирующих зарядов полностью контролируется скоростью деформирования, меньшей скорости звука. Если следовать Гриффитсу, то эта скорость ^ 0.4 скорости звука в среде. Отсюда получаем размер области релаксации (трещины) как 81« А? ■ с ~ 0.1 т.
Значительную амплитуду импульса можно объяснить коллективными эффектами, заключающимися в том, что деформация осуществляется когерентно в достаточно большом объеме. При 8? « 0.1 т такая деформация может быть осуществлена в случае, если область когерентного сдвига имеет большую протяженность в направлении, перпендикулярном направлению сдвига.
Паттерн типа 3 представляет однополярный всплеск по форме похожий на движение апериодического осциллятора, возникшего под воздействием ударного импульса.
Передний фронт имеет длительность А? < 10-4 с. Поскольку задний фронт имеет гораздо большую длительностью (~ 3 ■ 10-4с), чем характерной время релаксации заряда в среде (т < 10-6с), его форму можно ассоциировать с релаксацией апериодического осциллятора. Можно сказать, что в данном случае имеет место низкодобротная среда и скорость нарастания напряжений значительно меньше скорости релаксации. Механическим аналогом является сухое трение когда характерне время накопления напряжения до порога срыва значительно превышающем характерное время релаксации.
Паттерн типа 4 напоминает процесс затухания колебаний осциллятора умеренной добротности (Q œ 20), возбужденного ударным импульсом. Иными словами, срыв стопора происходил в среде с малым затуханием. Причем частота инициирующего импульса синхронизирована с частотой силовой сети.
Паттерны типа 5 и 6 можно рассматривать как смесь движений - ползучести (вязкого трения) с сухим трением. В этом случае с увеличением мощности потока тектонических напряжений будет происходить увеличение частоты срывов стопоров, что можно наблюдать в окнах 5 и 6 рисунка 1.
Паттерны типа 8 очень напоминают неустойчивое движение тиксотропной вязкой среды под влиянием меняющихся напряжений. Его можно ассоциировать с асейсмическим крипом [24].
Выводы
1. В коре имеются условия для возникновения акустической генерации: накопления потенциальной энергии и наличие параметрической положительной обратной связи. Присутствие разнообразных механоэлектромагнитных механизмов преобразования создают благоприятные условия для преобразования акустических колебаний в электромагнитные.
2. Возникающие в коре акустические релаксационные колебания преобразуются в электромагнитные колебания, выходят в атмосферу и далее распространяются в атмосфере.
3. Поскольку момент регистрации представленных волновых форм находится в непостредственной окрестности момента землетрясения и эти волновые формы не соответствуют известным волновым формам сигналов атмосферно-грозового, магнитосферно-ионосферного или техногенного происхождения, с большой долей правдоподобия можно утверждать, что они имеют литосферное происхождение.
4. Все найденные стабильные простейшие волновые формы (паттерны) можно разделить на два основных типа — короткие импульсы, соответствующие срыву стопоров с малым проскальзыванием, и низкочастотные, соответствующие пульсирующим течениям.
5. Частота следования импульсов при осциляциях типа 3, 4, 5 и 6 является мерилом мощности потока тектонических напряжений - повышение этой частоты свидетельствует о возрастаниии тектонической активности.
6. Электромагнитное излучение литосферы отражает ее динамику.
Список литературы
[1] Садовский М.А., Электромагнитные предвестники землетрясений, Наука, 1982, 145 с. [Sadovsky M. A., Electromagnetic Precursors of Earthquakes, Nauka, Moscow, 1982, 145 pp.]
[2] Surkov V., Hayakawa М., Ultra and Extremely Low Frequency Electromagnetic Fields, Springer, Japan, 2014, 486 pp.
[3] Krumbholz M., Electromagnetic radiation as a tool to determine actual crustal stress -application and limitation., Dissertation zur Erlagung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissetschaftlichen Fakultaten der Georg-August-Universitat zu Gottingen, Gottingen, 2010, 151 pp.
[4] Уваров В.Н., "Электромагнитно-деформационные волны земной коры", Геофизический журнал, 38:6 (2016), 180-185. [Uvarov V. N., "Electromagnetic-deformation waves of the earth's crust", Geophysical Journal, 38:6 (2016), 180-185].
[5] Hayakawa M.,Molchanov O.A., "Seismo-electromagnetics as a new field of radiophysics: Electromagnetic phenomena associated with earthquakes", Radio Sci. Bull., 2007, №320, 8-17.
[6] Уваров В. Н., "Электромагнитное проявление литосферы с СНЧ-ОНЧ диапазоне", Геофизический журнал, 34:6 (2012), 133-146. [Uvarov V. N., "Electromagnetic manifestation of the lithosphere with a VLF-LF range", Geophysical Journal, 34:6 (2012), 133-146].
[7] Krumbholz M., Bock M., Burchardt S., Kelka U., Vollbrecht A., "A critical discussion of the electromagnetic radiation (EMR) method to determine stress orientations within the crust", Solid Earth, 3 (2012), 401-414.
[8] Hayakawa M., Earthquake prediction with radio technique, John Wiley, Singapore, 2015, 296 pp.
[9] Mullayarov V. A., Druzhin G.I., Argunov V. V., Abzaletdinova L.M., Melnikov A.,N., "Variations of VLF radio signals and atmospherics during the deep earthquake with M = 8.2 occurred on 24 May 2013 near Kamchatka peninsula", Natural Science, 6:3(2014) (2014), 43242.
[10] Дружин Г. И., "Опыт прогноза камчатских землетрясений на основе наблюдения за электромагнитным ОНЧ излучением", Вулканология и сейсмология, 2002, №6, 51-62. [Druzhin G. I., "Experience in forecasting Kamchatka earthquakes based on observation of electromagnetic vLf radiation", Volcanology and seismology, 2002, №6, 51-62].
[11] Молчанов О. А., Низкочастотные волны и индуцированные излучения в околоземной плазме, Наука, М, 1985, 223 с. [Molchanov O.A., Low-frequency waves and induced radiation in near-earth plasma, Science, Moscow, 1985, 223 pp.]
[12] Гершман Б. Н., Ерухимов Л. М., Яшин Ю.Я., Волновые явления в ионосферной и космической плазме, Наука, М., 1984, 392 с. [Gershman B. N.,Erukhimov L. M. , .Yashin Y. Ya., Wave phenomena in ionospheric and cosmic plasma, Science, Moscow, 1984, 392 pp.]
[13] Альперт Я. Л., Гусева Э. Г., Флигель Д. С., Рапространение низкочастотных электромагнитных волн в волноводе Земля-ионосфера, Наука, М., 1967, 124 с. [Alpert Ya. L. , Guseva E. G., Fligel D. S., Propagation of low-frequency electromagnetic waves in the Earth-ionosphere waveguide, Science, Moscow, 1967, 124 pp.]
[14] Долуханов М. П., Распространеие радиоволн, Связь, М., 1972, 336 с. [Dolukhanov M. P., Propagation of radio waves, Communications, Moscow, 1972, 336 pp.]
[15] Тархова А. Г., Электроразведка. Справочник геофизика, Недра, М., 1980, 518 с. [Tarkhova A.G., Electrical Exploration. Handbook of geophysics, Nedra, Moscow, 1980, 518 pp.]
[16] Уваров В. Н., Дружин Г. И., Санников Д. В., "Электромагнитное излучение литосферного происхождения: метод обнаружения и первые результаты", Приборы и техника эксперимента, 2010, №6, 131-137. [Uvarov V. N., Druzhin G. I, Sannikov D. V., "Electromagnetic radiation of lithospheric origin: the method of detection and the first results", Devices and technics of the experiment, 2010, №6, 131-137].
[17] Андронов В. В., Журавлев В.Ф., 2010, 184 с. [Andronov V.V., Zhuravlev V. F., 2010, 184 pp.]
[18] Хасанов М.М., Булгакова Г. Т., Нелинейные и неравновесные эффекты в реологически сложных средах, Институт компьютерных исследований, Москва-Ижевск, 2003, 288 с. [Khasanov M.M., Bulgakova G.T., Nonlinear and nonequilibrium effects in reologicheskie complex environments, Institute of computer science, Moscow-Izhevsk, 2003, 288 pp.]
[19] Соболев Г. А., Пономарев А. В., Физика землетрясений и предвестники, Наука, М, 2003, 270 с. [Sobolev G., Ponomarev A., Earthquake physics and precursors, Nauka, Moscow, 2003, 270 pp.]
[20] Райс Дж., Механика очага землетрясения, Мир, М., 1982, 217 с. [Rajs Dzh., Mekhani-ka ochaga zemletryaseniya, Mir, M., 1982, 217 pp.]
[21] Аки К., Ричардс П., Количественная сейсмогогия. Теория и методы, Мир, М., 1982. [Aki R.,Ricards P., Quantitative seismology. Theory and methods., Mir, Moscow, 1982].
[22] Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теоретическая физика. Теория поля, Наука, М., 1988, 512 с. [Landau L. D., Lifshitz E.M., Theoretical physics. Field theory, Nauka, M., 1988, 512 pp.]
[23] Kocharyan G. G., Kishkina S. B., Novikov V. А., Ostapchuk А. А., "Slow slip events: param-eters,conditions of occurrence, and future research prospects", Geodynamics & Tectono-physics, 5(4) (2014), 863-891.
Список литературы (ГОСТ)
[1] Садовский М. А. Электромагнитные предвестники землетрясений. М: Наука, 1982. 145 c.
[2] Surkov V., Hayakawa М. Ultra and Extremely Low Frequency Electromagnetic Fields. Japan: Springer, 2014. 486 с.
[3] Krumbholz M. Electromagnetic radiation as a tool to determine actual crustal stress -application and limitation. Dissertation zur Erlagung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissetschaftlichen Fakultaten der Georg-August-Universitat zu Gottingen. Gottingen, 2010. 151 c.
[4] Уваров В. Н. Электромагнитно-деформационные волны земной коры // Геофизический журнал. 2016. T. 38. №6. С. 180-185
[5] Hayakawa M.,Molchanov O.A. Seismo-electromagnetics as a new field of radiophysics: Electromagnetic phenomena associated with earthquakes // Radio Sci. Bull. 2007. №320. С. 8-17
[6] Уваров В. Н. Электромагнитное проявление литосферы с СНЧ-ОНЧ диапазоне // Геофизический журнал. 2012. Т. 34. №6. С. 133-146
[7] Krumbholz M., Bock M., Burchardt S., Kelka U., Vollbrecht A. A critical discussion of the electromagnetic radiation (EMR) method to determine stress orientations within the crust // Solid Earth. 2012. vol. 3. p. 401-414
[8] Hayakawa M. Earthquake prediction with radio technique. Singapore: John Wiley, 2015. 296 p.
[9] Mullayarov V. A., Druzhin G. I., Argunov V. V., Abzaletdinova L.M., Melnikov A.,N. Variations of VLF radio signals and atmospherics during the deep earthquake with M = 8.2 occurred on 24 May 2013 near Kamchatka peninsula // Natural Science. 2014. vol. 6. no. 3(2014). ID 43242
[10] Дружин Г. И. Опыт прогноза камчатских землетрясений на основе наблюдения за электромагнитным ОНЧ излучением // Вулканология и сейсмология. 2002. №6. С. 51-62
[11] Молчанов О. А.Низкочастотные волны и индуцированные излучения в околоземной плазме. М.: Наука, 1985. 223 c.
[12] Гершман Б.Н., Ерухимов Л. М., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосферной и космической плазме. М.: Наука. 1984. 392 c.
[13] Альперт Я. Л., Гусева Э.Г., Флигель Д. С. Рапространение низкочастотных электромагнитных волн в волноводе Земля-ионосфера. М.: Наука, 1967. 124 c.
[14] Долуханов М. П. Распространеие радиоволн. М.: Связь, 1972. 336 c.
[15] Тархова А. Г.Электроразведка. Справочник геофизика. М.: Недра. 1980. 518 c.
[16] Уваров В. Н., Дружин Г. И., Санников Д. В. Электромагнитное излучение литосферного происхождения: метод обнаружения и первые результаты // Приборы и техника эксперимента. 2010. №6. С. 131-137
[17] Андронов В. В., Журавлев В.Ф. Сухое трение в задачах механики. М.-Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика. 2010. 184 c.
[18] Хасанов М.М., Булгакова Г. Т. Нелинейные и неравновесные эффекты в реологически сложных средах. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. 288 c.
[19] Соболев Г. А., Пономарев А. В. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003. 270 с.
[20] Райс Дж. Механика очага землетрясения. М.: Мир, 1982. 217 c.
[21] Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмогогия. Теория и методы. М.: Мир, 1982
[22] Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Теория поля. М.: Наука, 1988. 512 c.
[23] Kocharyan G.G., Kishkina S. B., Novikov V. А., Ostapchuk А. А. Slow slip events: param-eters,conditions of occurrence, and future research prospects // Geodynamics & Tectono-physics. 2014. vol 5(4). p. 863-891
Для цитирования: Уваров В. Н. Характерные формы электромагнитных сигналов // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2018. № 2(22). C. 112-127. DOI: 10.18454/2079-66412018-22-2-112-127
For citation: Uvarov V. N. Characteristic Patterns of Electromagnetic Manifestation of Lithosphere Dynamics, Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki. 2018, 22: 2, 112-127. DOI: 10.18454/2079-6641-2018-22-2-112-127
Поступила в редакцию / Original article submitted: 04.04.2018
Vestnik KRAUNC. Fiz.-Mat. Nauki. 2018. no.2(22). pp. 112-127. ISSN 2079-6641
DOI: 10.18454/2079-6641-2018-22-2-112-127
PACS: 41.20.Jb + 91.10.Kg + 91.30.Px
CHARACTERISTIC PATTERNS OF ELECTROMAGNETIC MANIFESTATION OF LITHOSPHERE DYNAMICS
V. N. Uvarov
Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation (IKIR) FEB RAS, 684034, c.Paratunka, Kamchatka E-mail: [email protected]
The signals of the lithosphere dynamics with the seismic activity of Kamchatka are compared. Earlier unknown simple repeating waveforms of the electrical component of the electromagnetic field in ELF-SLF range (patterns) associated with earthquakes were identified. The analysis of the conditions of acoustic and electromagnetic radiation occurrence and lithospheric mechanisms of acoustic-electromagnetic transformation was carried out. Conclusions about the conversion of acoustic radiation into the electromagnetic radiation, character of the lithospheric motions accompanying the simplest waveforms were drawn. These patterns were compared with the simplest forms of deformation movements of a deformed solid.
Key words: seismoelectromagnetism, electrodynamics of the lithosphere, electromagnetic manifestation of earthquakes, propagation of radio waves, natural electromagnetic field of the Earth, electromagnetic radiation of the lithosphere, electrohydrodynamics
© Uvarov V.N., 2018
