ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 4, с. 54-62
УДК 550.836
ГЕНЕРАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В НЕДРАХ ЗЕМЛИ МИРОВЫМИ ГЕОМАГНИТНЫМИ БУРЯМИ
© 2004 г. Э. Б. Файнберг1, А. А. Авагимов2, В. А. Зейгарник2, Т. А. Васильева1
1Институт геоэлектромагнитных исследований Объединенного института физики Земли РАН, г. Троицк 2Институт теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур РАН, г. Москва Поступила в редакцию 19.02.2003 г.
На ряде моделей, включающих глобальное распределение электропроводности, двумерную вставку, региональный профиль, проходящий через Бишкекский геодинамический полигон, и трехмерную модель Тянь-Шаня, исследованы величины и пространственные распределения тепловых потоков, генерируемых в земле геомагнитными бурями с внезапными началами. Показано, что энергия магнитных бурь, выделяемая в виде тепла, соизмерима с энергией, выделяемой землетрясениями. Основная часть тепла выделяется в верхних 10-20 км разреза и сосредоточена по границам разломов. В свете обнаруженной недавно корреляции магнитных бурь и землетрясений целесообразно изучить возможные механизмы воздействия поступающего таким образом тепла на процесс формирования землетрясений.
Ключевые слова: геомагнитные бури, электромагнитная индукция, генерация тепловых потоков.
ВВЕДЕНИЕ
В исследованиях воздействия геомагнитных вариаций на тектоническую активность и землетрясения наметилась тенденция перехода от изучения интегральных характеристик явлений, таких, как корреляция геомагнитной активности и землетрясений в масштабах всей земли, ее полушарий и крупных геологических провинций, к изучению корреляции энергии отдельных типов вариаций и землетрясений в пределах отдельных, сравнительно небольших регионов. Показательными в этом отношении являются недавние публикации [Соболев и др., 2001; Закржевская, Соболев, 2002]. В этих работах отмечается, что с вероятностью 99.9% существует корреляция между геомагнитными бурями с внезапными началами и землетрясениями зарегистрированными на территории Киргизии и Казахстана площадью 500 х 350 км2 - [Соболев и др., 2001] и территории Кавказа площадью 600 х 800 км2 -[Закржевская, Соболев, 2002]. Максимум корреляции наблюдается спустя 2-7 дней после внезапного начала бури. Суммарная энергия 98 бурь, поступающая в землю, и землетрясений, подсчитанных за десятисуточный интервал после начала землетрясения в течение всего интервала наблюдений, составляет соответственно 1012 Дж и 1012 Дж для первого полигона и 5.93 х 1011 Дж и 1012 Дж для второго. Сопоставляя энергию бурь
и землетрясений, Соболев с соавторами приходит к выводу, что, хотя величина энергии бурь и землетрясений сопоставима, однако, принимая во внимание что коэффициенты преобразования электрической энергии бурь в механическую посредством пьезоэлектрического, электрокинетического или других эффектов составляют доли процента, этой энергии недостаточно для прямого преобразования в сейсмические колебания. На этом основании делается вывод о том, что влияние магнитных бурь на сейсмичность носит триггерный характер.
К аналогичному выводу приходят [Tarasov and Tarasova, 2002a]. Их результаты свидетельствуют о том, что с достоверностью (99%) существует корреляция между внезапными началами магнитных бурь (SSC) и сейсмичностью на территории Тянь-Шаня. Они также делают заключение о триггерном характере воздействия геомагнитных возмущений на сейсмичность. Однако, в отличие от геомагнитных бурь, SSC активизируют сейсмичность спустя 14-18 дней.
Интересно, что такое же воздействие на сейсмичность оказывают токовые импульсы искусственных возбудителей - МГД-генератора и электрических батарей. В работах [Тарасов и др., 1999; Tarasov and Tarasova, 20026; Avagimov, Zeigarnik, 2002] проанализированы многолетние наблюдения за воздействием мощных токовых импульсов
ГЕНЕРАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ
55
и сделано заключение, что воздействие импульсов коррелирует с сейсмичностью с вероятностью 99% и максимально спустя 3-6 дней после импульса. Сделан также вывод о триггерном характере воздействия импульсов. В настоящей работе в качестве промежуточного механизма воздействия геомагнитных вариаций на сейсмичность рассматривается генерация геомагнитными вариациями тепла в недрах земли.
Для получения количественных оценок и лучшего понимания происходящих при этом процессов последовательно рассмотрим несколько характерных моделей среды, возбуждаемых интенсивной геомагнитной бурей с внезапным началом - рис. 1, меридиональная компонента. Выбрана буря, которая началась 15 июля 1990 г. в ~14и37т и продолжалась несколько суток. Поскольку необходимых для анализа геомагнитных данных по Тянь-Шаню, который был выбран в качестве исследуемого региона, нет, в расчетах использовались данные по обсерватории Мемамбецу, широта которой близка к Алма-Ате и Бишкеку. Данные с дискретизацией одна минута были взяты из Мирового Центра Данных (Боулдер), данные с дискретизацией одна секунда были любезно предоставлены Такеши Саканои (Япония).
Величина теплового потока q вычислялась как средняя за интервал Т (продолжительность бури) величина вектора Пойнтинга:
Я, нТ
200 -
100 -
0 г-
-100 -
200
-300
2000
4000
6000 мин
Рис. 1. Меридиональная компонента геомагнитной бури - Мемамбецу, 15.07.2000 г.
рекуррентным формулам [Бердичевский, Дмитриев, 1992]:
Ех(г) =
Ех ( гп ) 1 + апе
, 1кп(г - + 1) гкп(г
(е + апе
Ц-г)
= 2тке 1[ е х н *] а ш
ап = е
кК 7п + ап + 1е
^кп +1 кп+1
1 + 7пап +1е'
1к„ +1 Ь„
q
ю
или q = ^Где|(Н
[ г ])х н * ] а ю.
Уп =
У^п- Уап+1
Ъ~п + 7 а п +1
, Ну (г) =
ЮЦо
х
Здесь Е и Н - вектора электрического и магнитного поля, [г] - тензор импеданса, ю - угловая частота. Интегрирование ведется по всем частотам спектра бури.
ОДНОРОДНОЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВО, СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ
Вначале рассмотрим простейшую модель среды - горизонтально-однородное слоистое полупространство состоящее из осадочного чехла, вы-сокоомного фундамента, проводящего корового слоя, подстилаемого стандартным глобальным разрезом [Файнберг, 1983]. Распределение электропроводности в такой модели изображено на рис. 2а. Электрические и магнитные поля в М-слойной модели на произвольной глубине г вычислялись по
х Ех(гп) ( к(г - гп) к(^ + 1- г))
х-1кГ(е - апе )'
Л , 1КпПп
1 + апе
гп <г < гп + 1, п = 2, 3, М, аМ = 0,
кп = ^ юц0ап, где ап и кп - соответственно проводимость и толщина п-го слоя.
На рис. 26 приведено распределение среднего теплового потока с глубиной для трех вариантов: для начальной фазы бури продолжительностью около суток (сплошная линия), всей бури (пунктир) и высокочастотной части (спектр ог-
2 П
раничен периодами Т = —, 1с < Т < 120с) -
ю
штрих-пунктир.
ю
Рис. 2. Распределение электрического удельного сопротивления р(^) и теплового потока д(г) с глубиной.
Как видно из рисунка, основная часть мощности сосредоточена в начальной фазе бури, она почти на порядок превышает среднюю мощность всей бури и на полтора порядка мощность, содержащуюся в высокочастотной части спектра бури. Поглощение тепла в осадочном чехле невелико, заметную величину оно составляет только для высокочастотных вариаций. Основная часть тепла поглощается проводящим слоем на глубине 10 км и затем постепенно на глубинах 20-200 км в коре и верхней мантии.
Интересно отметить, что полная мощность электромагнитного поля, проникающего в землю во время бури, на 2.5-3 порядка выше, чем мощность, поглощаемая землей в виде тепла. Большая часть электромагнитного поля отражается и рассеивается в виде электромагнитного излучения. Тепловая энергия 98 бурь на той же территории и за тот же самый интервал, который был взят в работе [Соболев и др., 2001], составляет 0.5 х 10-6 Вт/м2 х 86400 с х 500 х 350 х 106 м2 х 98 = = 7.4 х 1011 Дж, что близко к оценке 1012, полученной Соболевым с соавторами. Вместе с тем, тепловой поток, переносимый бурями в землю, на 2-3 порядка меньше теплового потока, идущего из земли и, следовательно, не может играть существенной поли в процессе подготовки землетрясений. Однако он, вероятно, может ускорить развитие события, когда процесс разрядки уже, фактически, начался.
Следует отметить, что модель однородного полупространства никак не учитывает горизонтальных неоднородностей верхней части разреза, не дает представления о поведении теплового по-
тока на вертикальных контактах типа разлома и поэтому отражает лишь самые общие закономерности в пространственной картине генерации тепловых потоков в недрах земли геомагнитными бурями.
ДВУМЕРНАЯ МОДЕЛЬ - РАЗЛОМ
Как известно, большинство землетрясений происходит не внутри континентов и литосфер-ных плит, а на их границах по разломам. Поэтому интерес представляет модель разреза, содержащего разлом - модель вставки.
Модель представляет собой четырехслойный разрез: Н1 = 10 км, р1 = 1000 Омм, к2 = 10 км, р2 = = 10 Омм, Н3 = 80 км, р3 = 1000 Омм, р3 = 10 Омм. Верхний слой "перерезан" проводящим "разломом" шириной 20 км и высотой 10 км. Модель возбуждается полем магнитной бури, рассмотренной выше. Результаты расчетов теплового потока в верхнем слое для обеих поляризаций: продольной, когда электрическое поле направлено вдоль разлома, и поперечной, когда электрическое поле перпендикулярно направлению простирания разлома, представлены на рис. 3, рис. 4. Жирным прямоугольником показан разлом.
Как видно, для обеих поляризаций характерно ослабление теплового потока в хорошо проводящем разломе. Особенно резко это ослабление выражено при поперечной поляризации - на горизонтальных границах разлома величина теплового потока, очень быстро (практически мгновенно) падает на порядок и более. Происходит и
-80 0
10
15
20 км
-60
ГЕНЕРАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ -40 -20 0 20
40
60
км 80
ц, мкВт/м2
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
Рис. 3. Тепловой поток в двумерной модели с проводящей вставкой типа - "разлом". Е-поляризация.
-50 0
5-
км 50
10-
15-
20
ц, мкВт/м2 0.0 0.3 0.7 1.0
Рис. 4. Тепловой поток в двумерной модели с проводящей вставкой типа - "разлом". Н-поляризация.
некоторая концентрация тепла во внешней окрестности разлома. Вдали от разлома величина теплового потока ок
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.