ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 414, № 3, с. 389-392
= ГЕОФИЗИКА =
УДК 550.348
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ СУТОЧНЫХ ВАРИАЦИЙ УРОВНЯ ГЕОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
© 2007 г. В. А. Гаврилов
Представлено академиком С.А. Федотовым 05.05.2006 г. Поступило 26.06.2006 г.
Значительный вклад в разработку моделей подготовки землетрясений могут вносить результаты геоакустических (сейсмоакустических) наблюдений в сейсмоактивных районах, отражающие изменения характеристик акустической эмиссии горных пород в естественных условиях в связи с тектоническими процессами. Большой интерес при этом представляют результаты, полученные при измерениях в глубоких скважинах с использованием высокочувствительных геофонов [1], поскольку в этом случае появляется возможность наблюдать тонкие эффекты отклика геоакустической эмиссии (ГАЭ) на изменения напряженно-деформированного состояния горных пород, что, как правило, недоступно при измерениях на дневной поверхности из-за высокого уровня помех. В настоящем сообщении обсуждаются результаты анализа данных синхронных измерений уровней ГАЭ и естественного электромагнитного излучения на частотах около 160 Гц. Измерения проводили на базе глубокой скважины в районе г. Петропавловска-Камчатского в целях выяснения возможных физических причин суточных вариаций уровня ГАЭ и связи их вариаций с изменениями напряженно-деформированного состояния горных пород.
Геоакустические измерения в районе г. Петро-павловска-Камчатского проводятся на скважине Г-1 (глубина 2542 м) непрерывно с августа 2000 г. Использование в системе наблюдений высокочувствительного геофона с датчиками на основе маг-нитоупругих материалов, установленного в скважине на глубине 1035 м, позволило измерять уровень ГАЭ с амплитудами сигналов порядка 10-4 м/с3 в диапазоне частот до 1.5 кГц [2]. Аппаратурным комплексом, расположенным у устья скважины, производится дополнительное усиление и разделение исходных сигналов датчиков геофона полосовыми фильтрами на четыре полосы с цен-
тральными частотами 30, 160, 560 и 1200 Гц с измерением средневыпрямленных значений сигналов на выходах каждого из фильтров. Дальнейшая обработка сигналов производится микропроцессорным контроллером, в функции которого входит аналого-цифровое преобразование поступающих на вход сигналов, вычисление средних значений сигналов на интервале в одну минуту, а также запись данных в память. Согласно полученным результатам установка геофона на достаточно большой глубине позволила снизить влияние шумов техногенного происхождения более чем на два порядка, а также практически полностью устранить влияние метеоусловий на результаты измерений вертикальной компоненты сигнала. Анализ результатов, полученных за пять лет непрерывных измерений, показывает, что в интервалах времени, соответствующих спокойной сейсмической обстановке в регионе, временные ряды среднего уровня ГАЭ содержат ярко выраженную суточную компоненту (24.0 ч). При этом времена переходов от минимальных значений среднего уровня ГАЭ к максимальным и наоборот соответствуют временам прохождения линии терминатора (временам захода и восхода Солнца) для пункта наблюдений (рис. 1а). В наибольшей степени суточный ход ГАЭ проявлялся на каналах вертикальной компоненты геофона с центральными частотами фильтров 30 и 160 Гц. Результаты сопоставления изменений суточного хода ГАЭ с временами произошедших землетрясений на пятилетних рядах наблюдений показывают, что перед всеми землетрясениями с магнитудами Мш > 5.0 в зоне радиусом Я ^ 300 км от пункта наблюдений и землетрясениями сМш > 5.5 в зоне Я 550 км отмечались нарушения суточного хода [2].
Для понимания физических причин суточных вариаций уровня ГАЭ были привлечены результаты измерений естественного электромагнитного поля, начатых на том же пункте в мае 2003 г. Для электромагнитных измерений была использована подземная электрическая антенна оригинальной конструкции. В остальном тракты электромагнитных и геоакустических измерений бы-
Институт вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской Академии наук, Петропавловск-Камчатский
Отн. ед.
Апрель 2004 г.
Рис. 1. Пример результатов совместных геоакустических и электромагнитных измерений: уровень ГАЭ при частоте фильтра 160 Гц ^-компонента); уровень электромагнитного излучения при частоте фильтра 160 Гц; коэффициент корреляции р. Мш- магнитуда землетрясения, Н- глубина очага, Я- эпицентральное расстояние.
ли идентичны, измерения проводили в одних и тех же частотных диапазонах.
Механизмы излучения и закономерности распространения радиошумов в диапазонах СНЧ и ОНЧ (30 Гц-30 кГц) достаточно хорошо изучены [3, 4]. Основным источником естественного электромагнитного излучения (ЕЭИЗ) в этих диапазонах для северо-восточной части России являются удаленные грозовые очаги [3]. При этом основной энергетический вклад в ЕЭИЗ в СНЧ-диапа-зоне для Камчатки вносит непрерывная флуктуа-ционная компонента. Суточные вариации уровня электромагнитного поля в диапазонах СНЧ и ОНЧ связаны прежде всего с резким ухудшением условий распространения радиоволн в дневное время в волноводе ионосфера-Земля из-за уменьшения в это время суток высоты ионосферы из-за появления слоя D на высоте около 80 км.
Результаты совместных геоакустических и электромагнитных измерений показали, что в периоды устойчивого суточного хода ГАЭ вариа-
ции уровня ГАЭ и вариации уровня электромагнитного поля были практически идентичны. Коэффициент корреляции р на таких интервалах имеет значения порядка р = 0.80-0.99. Например, р = 0.91-0.99 для интервала 9-12 апреля 2004 г., рис. 1; р = 0.92-0.93 для интервала 15-17 июня 2003 г., рис. 2. Вместе с тем перед сильными землетрясениями (за сутки и более), а также в периоды релаксации характер вариаций уровня ГАЭ и уровня электромагнитного поля существенно различался: р = 0.53-0.89 для интервала 13-19 апреля 2004 г., рис. 1; р = 0.001-0.34 для интервала 28 мая-09 июня 2003 г., рис. 2.
Сравнение полученных нами результатов с результатами лабораторных экспериментов на образцах горных пород, подвергавшихся воздействию электромагнитных полей в условиях сжатия на прессах [5], указывает на подобие наблюдаемых эффектов. Как показывают результаты таких экспериментов, при электромагнитном воздействии на образцы горных пород, находящихся в услови-
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ СУТОЧНЫХ ВАРИАЦИИ
391
отн. ед. MLH - 5.7 Н - 40 км
260-
Уровень геоакустической эмиссии,
МН - 6.7 Н - 10 км R - 263 км
220-
180
80 60 40 20
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
Коэффициент корреляции р
\_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_
28 29 30 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Май Июнь
2003 г.
Рис. 2. Пример восстановления суточного хода ГАЭ в сопоставлении с результатами электромагнитных измерений.
ях сжатия, как правило, наблюдается достаточно четкий триггерный эффект значительного повышения уровня акустической эмиссии. При этом чувствительность к электромагнитному воздействию (величина отклика акустической эмиссии) зависит от величины сжимающих напряжений [5]. Такой эффект аналогичен отмеченному нами эффекту повышения уровня ГАЭ в ночное время в соответствии с увеличением в это время суток уровня ЕЭИЗ. В рамках такого подхода к объяснению физических причин суточных вариаций уровня ГАЭ на качественном уровне речь может идти о модуляции уровня ГАЭ (процесса микро-трещиннообразования) естественным электромагнитным излучением. Исчезновение суточного
хода ГАЭ перед достаточно сильными землетрясениями и последующее его восстановление в этом случае объясняется изменением чувствительности горных пород к модулирующему электромагнитному воздействию вследствие изменений ее напряженно-деформированного состояния.
Количественные оценки наблюдаемого эффекта модуляции уровня ГАЭ естественным электромагнитным излучением Земли дают следующие результаты. Согласно данным литературных источников наибольшие значения уровня электрической составляющей ЕЭИЗ во всем диапазоне СНЧ на поверхности Земли можно оценить величинами порядка 0.45-1.0 мВ/м [4]. Затухание электрической составляющей ЕЭИЗ, рас-
считанное согласно [6] для частоты 160 Гц и глубины 1000 м в условиях средневлажной земли (а = 10-2), составляет величину около 9 дБ. Таким образом, наибольшие значения уровня электрической составляющей ЕЭИЗ на глубине 1000 м могут достигать величин не более 0.16-0.36 мВ/м. В то же время согласно данным [5] при проведении на образцах экспериментов по влиянию электромагнитного поля на активность акустической эмиссии значения напряженности электрического поля достигали 800-1600 В/м. Таким образом, уровень напряженности электрического поля, воздействующего на горные породы в естественных условиях на глубине около 1000 м, ниже уровня напряженности поля при экспериментах на образцах как минимум на шесть порядков.
Вместе с тем необходимо учесть следующее. При измерениях в скважине радиус Яэф сферической области вокруг точки наблюдения, когда 90% энергии микроколебаний в точке обеспечиваются сосредоточенными в этой области источниками геоакустического шума, можно приблизительно оценить по формуле [7]: Яэф ~ Ок, где Q -добротность среды, к - длина волны.
Для геоакустических шумов с частотой / = = 160 Гц самые осторожные оценки приводят к значениям Яэф не менее нескольких сотен метров. Необходимо также учесть, что при измерении уровня геоакустической эмиссии в глубокой скважине минимальные амплитуды измеряемых сигналов на частоте 160 Гц в пересчете к смещениям имеют порядок 10-9 м [2]. Реализация такой чувствительности позволяет регистрировать акусти-
ческие шумы от источников сигналов, находящихся на расстояниях как минимум в первых десятках метров, т.е. в объеме горных пород не менее 100 м3, что примерно на шесть порядков больше объемов образцов, используемых при экспериментах. Исходя из того, что количество микротрещин, подвергающихся воздействию электрического поля, пропорционально объему горных пород, становятся объяснимыми наблюдаемые эффекты модуляции уровня ГАЭ слабым естественным электромагнитным полем Земли.
Работа выполнена при финансовой поддержке ДВО РАН (проект 06-Ш-А
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.