ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 417, № 6, с. 823-827
= ГЕОФИЗИКА =
УДК 550.34
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ В ЗЕМНОЙ КОРЕ НЕОДНОРОДНОГО СТРОЕНИЯ
© 2007 г. С. П. Соловьев, А. А. Спивак
Представлено академиком В.В. Адушкиным 06.04.2007 г. Поступило 11.04.2007 г.
В настоящей работе приведены данные совместной регистрации микросейсмических колебаний и электрического поля на приповерхностных участках земной коры и по результатам их анализа предложена модель источника низкочастотных электромагнитных сигналов в виде электрического диполя, возникающего в результате стесненного поворота структурных блоков при релаксации среды с низким влагосодержанием. Согласно модели, разделение электрических зарядов и возникновение токов происходят в результате разрушения механических связей между соседними блоками при дифференциальных подвижках либо в результате электрической поляризации горной породы при скачкообразном изменении напряженного состояния. Получено, что величина электрического дипольного момента, возникающего в области активного (релаксирующего) блока с линейным размером ~10 м, достигает 10_7-10_6 Кл • м при образовании системы субпараллельных трещин в межблоковом промежутке и 10-9-10-7 Кл • м при электрической поляризации горной породы. И в том и другом случае это обеспечивает амплитуду электрических импульсов в поверхностном слое земной коры в диапазоне 0.01-1 мВ/м на расстояниях, превышающих размер блока на два-три порядка. Полученные в модели и зарегистрированные в натурных условиях параметры электрических импульсов хорошо согласуются.
Особенности проявления электромагнитных эффектов на приповерхностных участках земной коры с малым влагосодержанием связаны с наличием импульсных электрических сигналов низкочастотного диапазона, количество и параметры которых определяются тектонической активностью исследуемого участка, его структурным строением и напряженно-деформированным состоянием [1, 2].
Электромагнитные эффекты, возникающие в результате сейсмических и деформационных процессов в массивах горных пород, весьма разнообразны и имеют различную физическую природу [1, 3-7]. Среди механизмов возбуждения электромагнитных сигналов в земной коре особо следует отметить электрическую поляризацию горных пород [8]. Этот механизм реализуется, например, при взрывном нагружении массива горной породы либо в результате релаксационных процессов в геофизической среде блочно-иерархического строения [10].
В работе [11] показано, что электрическая поляризация горных пород наблюдается при достаточно низких амплитудах динамического воздействия и отличается непрерывной зависимостью поляризации от величины нагрузки в отличие от ударной поляризации кристаллов и некоторых других природных материалов, для которых электрическая поляризация имеет пороговый характер.
Результаты исследований [8, 9] свидетельствуют о том, что наличие структурных неоднородно-стей в горном массиве оказывает существенное влияние на генерацию низкочастотного электромагнитного поля. Вариации электрического и магнитного полей при внешних воздействиях на геологическую среду служат индикатором современной активности тектонических структур, а также интенсивности межгеосферных взаимодействий на границе земная кора-атмосфера [1]. Это определяет актуальность исследований электромагнитных эффектов, возникающих в геологической среде и атмосфере при геодинамических процессах естественного и техногенного происхождения.
В настоящей работе инструментальные наблюдения за последовательностями электрических импульсов на приповерхностных участках земной коры и микросейсмическими импульсами, сопровождающими релаксационные процессы в геологической среде блочного строения, выполнялись на участках земной коры, отличающихся
Институт динамики геосфер Российской Академии наук, Москва
Е, мВ/м 0.6
А, мкм/с
40 г
20 0 -20
Север-юг
Запад-восток
12 3 4
г, с
Рис. 1. Пример совместной регистрации электрического поля в грунте Е (компонента север-юг) и микросейсмических колебаний А (компоненты предыдущая и западно-восточная) в пункте регистрации "Акташ" (Горный Алтай).
современной тектонической активностью. Измерения проводили в зоне влияния Нелидово-Рязанской тектонической структуры (НРТС), расположенной в пределах Московской синек-лизы, характеризующейся низкой тектонической активностью, и в зоне влияния Курайской тектонической структуры (Горного Алтая), отличающейся высокой современной активностью (очаговая зона Горно-Алтайского землетрясения 27.09.2003 г. с магнитудой 7.5 по шкале Рихтера) [1].
Анализировались сейсмические импульсы релаксационного типа, а также электрические импульсы в грунте, которые отличались по форме и спектральному составу от атмосферных импульсов и известных техногенных помех [1, 10].
Пример совместной регистрации электрического поля в приповерхностном слое грунта и микросейсмического фона приведен на рис. 1. Отчетливо видно, что импульсное сейсмическое событие малой амплитуды вызывает аномальную вариацию электрического поля в виде электрического импульса.
Из результатов инструментальных наблюдений следует, что релаксационные процессы в земной коре протекают повсеместно. Очаги релаксации тяготеют к зонам тектонических нарушений. Интенсивность релаксационных процессов (количество актов релаксации совместно с величи-
ной высвобождаемой энергии) определяется современной тектонической активностью конкретного участка земной коры. Для примера: количество актов релаксации Ык в зоне Курайской тектонической структуры, определяемое по количеству сопутствующих микросейсмических импульсов, достигает 550 в час. Для сравнения в зоне НРТС составляет величину от 5 до 40 событий в час в зависимости от участка.
Релаксационные процессы сопровождаются генерацией электрических импульсов, вероятность возникновения которых составляет 0.050.4 (на участках с низкой тектонической активностью относительное количество регистрируемых электрических импульсов, а следовательно, вероятность их генерации существенно меньше по сравнению с участками, характеризующимися высокой тектонической активностью).
Статистические характеристики последовательностей электрических и микросейсмических импульсов совпадают. Статистику повторяемости зарегистрированных импульсов с амплитудой, превышающей амплитуду фона в 2.5 раза, иллюстрирует рис. 2, на котором приведено количество сейсмических N = и электрических Ме импульсных событий с амплитудой, превышающей соответственно А8 и Ае.
С учетом сходства статистик последовательностей сейсмических и электрических импульсов
можно предполагать (при соответствующем выборе соотношения между амплитудами As и Ae), что оба явления имеют общий источник. В качестве такого источника может выступать, например, локальная колебательная система, связанная со стесненным деформированием активного блока земной коры при релаксации напряжения [10]. В этом случае скорость дифференциального смещения v(t) на активной грани блока хорошо описывается зависимостью вида (импульс Берлаге):
^ -Brai •
v (i) = av 0ie sin ra i
(1)
где а - нормировочный коэффициент, - максимальная скорость смещения, причем в случае прерывистого скольжения активной грани
ю ¡2Ё
u(i) = u0{ 1- eliт + вie rai/2sinrai},
(2)
где uo
2 v 0 N ra
- максимальное смещение актив-
A /ч i 2 EG 1 Aa(i) = j —
1/2
{1-e
-i/T
-rai/2
pie sin ra i}.
(3)
0.01 10000r
Ae, мВ/м
1000:
100:
0 2 ЩОЬ'
Здесь ю - циклическая частота процесса, N - количество подвижек при прерывистом скольжении, G - эффективный упругий модуль материала блока, Е - упругая энергия, высвобождающаяся в результате релаксации блока с линейным размером Ь.
Величина смещения активной грани и(0 определяется интегрированием (1) и с достаточной для практических оценок точностью аппроксимируется зависимостью
10
10
10 100
A„ мкм/с
1000
ной грани [12].
Предполагая, что процесс описывается соотношениями линейной упругости, получаем для величины напряжения, сбрасываемого при релаксации блока, зависимость
Рассмотрим механизм генерации электрических сигналов в виде образования новых либо оживления имеющихся трещин. При стесненном повороте структурного блока активизируемый межблоковый промежуток в виде структурного нарушения соответствующего ранга можно рассматривать в виде магистрального разрыва некоторой мощности и системы субпараллельных ему поверхностей с пониженной прочностью [12]. Таким образом дифференциальное движение, возникающее на активной грани релаксирующего блока, приводит к возникновению системы субпараллельных трещин. В этом случае преимущественная ориентация векторов дипольных моментов трещин совпадает и, соответственно, микрополя отдельных трещин когерентны.
Рис. 2. Количество сейсмических N5 и электрических N. импульсов с амплитудой, превышающей заданную.
Для оценок рассмотрим межблоковый промежуток, примыкающий к активной грани релаксирующего блока. При размерах блока L = 10-100 м межблоковый промежуток характеризуется шириной m ~ L • 103 = 10~2-10_1 м. Раскрытие А/ межблокового промежутка оценивается величиной А/ = 0.1 м, что в нашем случае дает А/ = 10-3-10-2 м. Принимаем, что раскрытие межблокового промежутка приводит к возникновению электрических зарядов на бортах системы трещин, параллельных межблоковой границе, на общей площади S, равной приблизительно 0.1 части площади поверхности активной грани блока, и средней поверхностной плотности электрических зарядов X = 10-5-10-4 Кл/м2. Дипольный момент возникшей системы зарядов при S = 10 м2 (размер активной грани релаксирующего блока полагаем равным 10 х 10 м) составляет в этом случае p ~ SXL = = 10-7-10-6 Кл • м.
При другом механизме генерации электромагнитных сигналов, связанном с электрической поляризацией горных пород при динамических воздействиях [8, 9], скачкообразная разгрузка изначально напряженного структурного элемента среды в виде асимметричного стесненного поворота блока приводит к резкому изменению напряженно-деформированного состояния активного
1
где А = 4 • 10-7, Р0 в Кл/м2, а в ГПа. В результате для активного блока с ли
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.