УДК 534.23:551.594.11
АНАЛИЗ ПРОЯВЛЕНИЯ СВЯЗИ МЕЖДУ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ГЕОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИЕЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ В АТМОСФЕРЕ У ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ
© 2014 г. О. П. Руленко1, 2, Ю. В. Марапулец2, М. А. Мищенко2
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН 683006 Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, e-mail: rulenko@kscnet.ru 2Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН 684034 Камчатский край, с. Паратунка, e-mail: marpl@ikir.ru Поступила в редакцию 27.03.2012 г.
С целью изучения воздействия литосферы на атмосферу у границы их соприкосновения в сейсмоактивном регионе летом—осенью 2006—2008 гг. на Камчатке в одном пункте одновременно измерялись геоакустическая эмиссия на частотах 2.0—6.5 кГц, атмосферное электрическое поле у поверхности земли и метеорологические величины. Используя непараметрические методы корреляционного анализа, исследована связь между среднечасовыми значениями всех величин. После исключения случаев плохой погоды, а также выделения слабого влияния неучтенных метеорологических и других факторов в экспериментах 2006, 2007 гг. обнаружена статистически высокозначимая обратная связь между возмущениями геоакустической эмиссии и электрического поля. Она имеет не метеорологическое происхождение. В эксперименте 2008 г. эта связь статистически незначима. Наиболее вероятной причиной обнаруженной связи является активизация деформирования приповерхностных осадочных пород в районе пункта измерений при сейсмотектоническом процессе.
DOI: 10.7868/S0203030614030055
ВВЕДЕНИЕ
Воздействие литосферы на атмосферу является составной частью взаимодействия твердой и газообразной геосферных оболочек. Оно определяется динамикой литосферных процессов и происходит интенсивно на границе соприкосновения геосфер, где значительны потоки в атмосферу массы и энергии. Здесь наблюдаются высококонтрастные изменения свойств контактирующих сред и взаимодействия геофизических полей разной природы. Наиболее сильно литосферно-атмо-сферное воздействие проявляется в сейсмоактивных регионах на заключительной стадии подготовки землетрясений [Адушкин, Спивак, 2005; Адушкин и др., 2006; Войтов, Добровольский, 1994; Гохберг, 1999; Спивак, 2006; Спивак, 2009].
Исследования на Камчатке показали, что при активизации деформирования приповерхностных осадочных пород в результате возникающих при этом микросмещений фрагментов появляются возмущения высокочастотной геоакустической эмиссии [Купцов и др., 2004; Купцов, 2005; Купцов и др., 2005, Долгих и др., 2007]. В сейсмоактивных регионах при спокойной погоде регистрируются аномальные возмущения атмосферного электрического поля у поверхности земли
[Электромагнитные предвестники..., 1982; Гохберг и др., 1988; Сидорин, 1992]. Они возникают в зоне подготовки землетрясений и связаны с деформированием приповерхностных пород [Руленко, 2000, 2003]. Общая деформационная причина появления возмущений геоакустической эмиссии и приземного электрического поля служат основанием для их совместного исследования. При этом возмущения геоакустической эмиссии рассматриваются как прямой, а электрического поля — опосредованный отклик соответственно приповерхностных пород и электрического состояния воздуха на деформации, возникающие при перестройке поля геомеханических напряжений в районе пункта измерений. Данное исследование актуально для понимания физики воздействия литосферы на атмосферу в сейсмоактивных регионах.
В августе—октябре 2005 г. в 28 км запад-юго-западнее г. Петропавловска-Камчатского в пункте "Микижа" (52.99° с.ш., 158.23° в.д.) впервые были проведены совместные измерения геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля. В отсутствие дождя и при спокойной погоде обнаружена связь между аномальными возмущениями эмиссии в килогерцовом диапазоне частот и электрического поля. Она может по-
являться в сейсмически спокойные периоды и на заключительной стадии подготовки землетрясения [Купцов и др., 2007], что свидетельствует о ее сейсмотектонической природе. Измерения были продолжены летом—осенью 2006 и 2007 гг. После исключения из рассмотрения случаев дождя, сильного и умеренного ветра, низкого атмосферного давления, а также выделения слабого влияния неучтенных метеорологических и других факторов в обоих экспериментах обнаружена высокозначимая корреляционная связь между возмущениями геоакустической эмиссии и электрического поля. Наиболее вероятной причиной этой связи является усиление деформирования приповерхностных осадочных пород в районе пункта измерений при сейсмотектоническом процессе, который интенсивно протекает у Восточной Камчатки [Марапулец и др., 2010]. Неустойчивость этого процесса во времени и неоднородная, иерархически блочная структура земной коры обуславливают сложное пространственно-временное деформирование пород, в том числе их локальные растяжения и сжатия, которые, по-видимому, влияют на проявление обнаруженной связи. Для выяснения стабильности ее проявления измерения в пункте "Микижа" были продолжены летом—осенью 2008 г.
В настоящей работе представлены результаты измерений и анализа проявления связи между возмущениями высокочастотной геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля за время наблюдений 2006—2008 гг. Использовались один и тот же измерительно-регистрирующий комплекс и одна методика анализа данных, что позволило сравнить результаты, полученные в разные годы.
СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЙ, ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Высокочастотная геокустическая эмиссия, атмосферное электрическое поле и метеорологические величины регистрировались 27 июня—16 октября 2006 г. (эксперимент 2006), 28 июня—24 октября 2007 г. (эксперимент 2007) и 2 июля— 27 октября 2008 г. (эксперимент 2008). Измерения проводились в отсутствии промышленных помех и аэрозольного загрязнения воздуха, которое значительно влияет на электрическое поле.
В качестве датчика акустического давления использовался пьезокерамический гидрофон с диаграммой направленности 60°, установленный на дне озера Микижа и ориентированный на восток в сторону сейсмофокальной зоны Камчатки. Чувствительность гидрофона с предусилителем в килогерцовом диапазоне частот была первые сотни мВ/Па [Купцов, 2005]. Размеры озера составляют 200 х 700 м2, а его наибольшая глубина, где
находился гидрофон, равна 4 м. В результате длительных наблюдений [Купцов и др., 2004; Купцов, 2005] было установлено, что аномальные геоакустические возмущения в данном пункте проявляются наиболее сильно в диапазоне частот 2.0—6.5 кГц. Поэтому рассматривалось акустическое давление Ps, накопленное за 4 с в этом частотном диапазоне.
Градиент потенциала V атмосферного электрического поля измерялся на высоте 7 см от поверхности земли. Использовался датчик "Поле-2М" [Датчик..., 1991] с пороговой чувствительностью примерно 3 В/м и временем установления показаний на уровне 0.9 равным 1 с. Датчик находился на берегу озера в 130 м восточнее гидрофона на открытой поляне, которая является частью большого ровного поля с невысоким травостоем. Для устранения влияния роста травы на уменьшение квазипостоянной составляющей атмосферного электрического поля регулярно проводилось ее срезание в радиусе 3 м от датчика. На удалении 20 м от датчика "Поле-2М" одновременно измерялись атмосферное давление Pa, температура воздуха T, его относительная влажность F, скорость ветра Uи интенсивность дождя I. Измерения Pa, T и F осуществлялись на высоте 2.5, U — 4.9, I — 4.2 м от поверхности земли. Использовалась цифровая метеостанция Conrad WS-2300. Геокустическая эмиссия и электрическое поле измерялись один раз в 4 с, а метеорологические величины — один раз в 10 мин. С помощью цифровой системы сбора данных, созданной на базе персонального компьютера, осуществлялась непрерывная регистрация всех величин. Для устранения взаимного влияния акустических и электрических данных сигналы с гидрофона и датчика "Поле-2М" поступали на разные аналого-цифровые преобразователи (16 и 14-разрядные соответственно).
После измерений в 2006 г. гидрофон был поднят для проведения профилактических работ и установлен снова на дне озера в нескольких метрах от прежнего места. В результате уменьшился средний уровень геоакустической эмиссии, который в значительной степени обусловлен неоднородным строением придонных осадочных пород. Этим объясняются меньшие значения акустического давления в экспериментах 2007 и 2008, по сравнению с экспериментом 2006.
Характерной особенностью проявления связи между высокочастотной геоакустической эмиссией и атмосферным электрическим полем является уменьшение градиента потенциала поля вплоть до изменения знака и последующее восстановление через некоторое время примерно до прежнего уровня. Такие изменения возникают при значительных увеличениях акустического
200 - ^ В/м
0
40 г- Р„ мПа
20 0 5 0
1000 990
.....ишь.........■4|.11Щ,||]|.
Ра, гПа
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
ГГ, ч
100 г У, В/м
50 0
-50 100
40 30 20 10
13:00 13:40 14:20 15:00 15:40 16:20 17:00 13:20 14:00 14:40 15:20 16:00 16:40
ГГ, ч:мин
Рис. 1. Фрагмент регистрации градиента потенциала V электрического поля, акустического давления Р,, скорости ветра и и атмосферного давления Ра 22 августа 2006 г. (а) и развертка выделенного участка регистрации (б). Стрелками отмечены моменты начала возмущений V и Р,.
а
давления, которые имеют, как правило, резкое начало и длительность больше нескольких минут. Это происходит в условиях спокойной погоды, когда отсутствует дождь, сильный и умеренный ветер, слабо меняется атмосферное давление. В качестве примеров на рис. 1, 2 представлены фрагменты регистрации градиента потенциала электрического поля и акустического давления 22 августа 2006 г. и 24-25 сентября 2007 г. В обоих случаях дождя не было. При сильном увеличении Р, около 15 ч происходит уменьшение V с изменением знака (см. рис. 1). Более слабо оно наблюдается около 4 и 6 ч (см. рис. 2), где увеличение Р, значительно меньше. Отметим, что возмущения V и Р, около 6 ч (см. рис. 2) не связаны с увеличением скорости ветра, так как его большее усиление около 9 ч не сопрово
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.